淺談虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科技場館中的應(yīng)用

李永廣

摘要：虛擬現(xiàn)實是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，它利用計算機技術(shù)生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進的人機交換技術(shù)。得力于計算機圖像和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外的科技場館、主題公園、游樂場等。筆者以東莞科技館“飛行模擬器”展品為研究實例，分析科技場館虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實，飛行模擬器

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)，簡稱VR，是利用計算機技術(shù)生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進的人機交互技術(shù)。虛擬現(xiàn)實集成了計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、立體顯示技術(shù)等技術(shù)，是一項綜合的集成技術(shù)。它所具有的沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和構(gòu)想性(imagination)，使人們能沉浸其中，形成具有交互功能的多維化的信息環(huán)境。

一般來說，一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計算機為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統(tǒng)、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)、以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。

在國內(nèi)外科技場館中，使用多媒體虛擬現(xiàn)實技術(shù)的展品有很多，如汽車模擬駕駛、太空探險等展品。下面筆者將以東莞科技館信息與高新技術(shù)展廳展品“飛行模擬器”為范例，分析其構(gòu)成和系統(tǒng)原理，并探討該技術(shù)的發(fā)展趨勢。

一、系統(tǒng)構(gòu)成

“飛行模擬器”展品是國內(nèi)科技館游客最喜歡的互動展品之一。游客可嘗試當(dāng)一名軍人，模仿空軍作戰(zhàn)的緊張場景；也可作為一名飛機控制師，操縱飛機翱翔于藍天與白云間等。

1.液壓運動平臺系統(tǒng)

六自由度平臺實現(xiàn)剛體在空間六個自由度的運動，即沿X、Y、Z軸的移動及繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動。由于剛體在空間的位置最多由六個自由度來描述，因此該平臺可模擬剛體在空間的任意運動狀態(tài)。其液壓源經(jīng)蓄能器同時向六個閥控伺服缸供油，油缸與下臺基、上平臺之間分別采用球鉸連接，六個油缸可在缸長方向作線性移動。平臺正是通過六個油缸的協(xié)調(diào)動作來實現(xiàn)六個自由度運動。平臺的位置姿態(tài)與油缸的伸縮量間存在位置耦合關(guān)系，包括位置逆解和位置正解。其中位置逆解由平臺的給定位置姿態(tài)各油缸的伸縮量，以便進行平臺的六個自由度位置控制，位置正解由各油缸的伸縮量求解平臺六自由度位置量，用于平臺位置的間接測量。

2.玻璃鋼飛機模型

由玻璃鋼模型、顯示設(shè)備、操縱控制桿、儀表盤等組成。玻璃鋼模型由機身、艙蓋、機翼、機尾等幾大塊組成，座艙座位與機身為一體，機翼、機尾單獨制作，然后與機身組裝。座艙蓋可以向一側(cè)翻開，上人之后可蓋回。座艙內(nèi)有兩套液晶顯示器，每套顯示器加裝一套紅外立體顯示設(shè)備，由立體眼鏡觀看。

3.顯示系統(tǒng)

機上圖像顯示采用兩臺液晶顯示器，前座與后座游客各觀看一臺，每臺液晶顯示器各加裝一套立體眼鏡適配器，觀眾通過紅外立體眼鏡觀看。

二、系統(tǒng)原理

飛行模擬器采用計算機控制方式，其控制原理如下：

首先計算機采集控制臺啟動按鍵，當(dāng)啟動按鍵按下后，開始檢測操縱桿信號。當(dāng)操縱信號啟動后，進入飛行過程中，圖像播放飛行狀態(tài)。在飛行過程中，計算機根據(jù)圖像過程中的運動狀態(tài)，同時結(jié)合檢測到的操縱控制信號，控制液壓運動平臺的運動，使飛機模型產(chǎn)生前后俯仰、左右仰斜、上下升降以及幾個狀態(tài)的聯(lián)運動作。當(dāng)操縱桿控制空中格斗時，根據(jù)控制信號在圖像中加入發(fā)射槍炮，以及發(fā)射導(dǎo)彈的畫面。當(dāng)飛機返航時，根據(jù)檢測操縱桿的信號，判定降落機場的成功與失敗，此過程可以由計算機設(shè)置難易程度。不論降落成功與否，都由計算機控制液壓運動平臺恢復(fù)安全平穩(wěn)狀態(tài)，由工作人員推動活動舷梯，來到運動平臺跟前，由工作人員揭開座艙蓋，游客從舷梯下來離開，準(zhǔn)備供下一批游客使用。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展趨勢

1.展示效果趨于真實

(1)沉浸感(Immension)逐漸完善。畫面的質(zhì)量不斷提高，三維效果不斷完善，能使操作者有“身臨其境”的感覺，就像現(xiàn)實世界一樣。讓操作人員相信在虛擬境界中人也是確實存在的，而且在操作過程中他可以自始至終地發(fā)揮作用，就像真正的客觀現(xiàn)實世界一樣。

(2)交互性(Interactivity)不斷增強。操作者與虛擬環(huán)境中所遇到的各種對象的相互作用的能力，操作者不再是被動接收信息，用戶是交互作用的主體，與虛擬物體可進行多行為的交談。

2.應(yīng)用場所將更加廣泛

“飛機模擬器”展品將從原來的軍事模擬作戰(zhàn)，到現(xiàn)在的科技館(主題公園、游樂場所)的體驗項目，得益于最新的計算機控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計算技術(shù)等，將發(fā)展到家庭休閑游戲等，并可通過互聯(lián)網(wǎng)與遠方的好友進行聯(lián)網(wǎng)互動。