淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與發(fā)展

徐宇杰 管會(huì)超

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual Reality），是一沉浸式交互環(huán)境。借用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，人們可以獲得目前在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的體驗(yàn)效果。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)（Computer Graphy）以及交互體驗(yàn)設(shè)備的推陳出新，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)現(xiàn)代生活的方方面面都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。該文將介紹普遍的虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式以及其在各方面的利用價(jià)值，并最后對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展前景做了展望。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 計(jì)算機(jī)圖形技術(shù) 交互體驗(yàn)設(shè)備 發(fā)展 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（a）-0019-01

虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種綜合多種科學(xué)技術(shù)的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域新技術(shù)，已經(jīng)涉及眾多研究和應(yīng)用領(lǐng)域，被公認(rèn)為是21世紀(jì)重要的發(fā)展學(xué)科以及影響人們生活的重要技術(shù)之一。其未來(lái)的研究將遵循“低成本、高性能”原則，從軟件、硬件上不斷展開(kāi)，不斷發(fā)展成為一門成熟的科學(xué)和藝術(shù)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程

20世紀(jì)50年代至70年代，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的探索階段，1956年到1960年美國(guó)電影攝影師Morton Helling研制出Sensorama的立體電影系統(tǒng)。1965年計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的奠基者美國(guó)科學(xué)家Ivan Sutherland博士在國(guó)際信息處理聯(lián)合會(huì)上提出終極顯示的概念，即觀察者直接沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界中，虛擬世界將會(huì)通過(guò)人體的反應(yīng)做出相應(yīng)的改變。并之后研究出了一些能夠模擬力量和觸覺(jué)的力反饋裝置。

20世紀(jì)80年代初期至中期，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)化，從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱秒A段20世紀(jì)80年代，美國(guó)的VPL公司創(chuàng)始人Jaron Lanier正式提出了Virtual Reality一詞。同期美國(guó)宇航局NASA開(kāi)發(fā)了用于火星探測(cè)的虛擬世界視覺(jué)顯示器。

20世紀(jì)80年代末期至今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的高速發(fā)展。1996年10月31日，世界上第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)博覽會(huì)在倫敦開(kāi)幕。全世界的人們都可以坐在家中通過(guò)英特網(wǎng)參觀這個(gè)完全由虛擬計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)造成的虛擬博覽會(huì)。

1916年12月，世界上第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)球網(wǎng)在英國(guó)投入運(yùn)行。英特網(wǎng)用戶可以在一個(gè)由立體虛擬現(xiàn)實(shí)世界組成的網(wǎng)絡(luò)中自由體驗(yàn)。

目前隨著近些年來(lái)迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)與不斷改進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)制作成為可能，人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)的可實(shí)現(xiàn)性和體驗(yàn)效果獲得了極大的提高。同時(shí)伴隨著虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的小型化和民眾化，可以預(yù)見(jiàn)在不久的未來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)必將擁有著很廣闊的市場(chǎng)。

1.2 現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)方式大概分為以下三個(gè)階段。

1.2.1 前期虛擬場(chǎng)景的建模和渲染

一個(gè)好的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品其對(duì)于視覺(jué)效果的要求往往是非常高的，前期模型制作的精細(xì)程度以及渲染效果往往在很大程度上決定了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的成敗。對(duì)于前期的模型制作主要有以下幾個(gè)軟件：3DMAX，CATIA，UG，PROE，其中各有側(cè)重點(diǎn)，3DMAX這一軟件主要使用于建筑場(chǎng)景的制作，如街景，房屋，室內(nèi)用品以及人體模型制作，它以及其強(qiáng)大的非工程建模能力和絢麗的渲染效果一直深受各個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)者的喜愛(ài)，在市場(chǎng)上也占據(jù)了相當(dāng)?shù)姆至?。CATIA，PROE，UG這三個(gè)軟件可以說(shuō)是三足鼎力不相上下，它們都以其強(qiáng)大的參數(shù)化建模能力而活躍于工程領(lǐng)域，三者也各有側(cè)重點(diǎn)。catia主要偏重于車輛工程以及航空航天領(lǐng)域，UG主要偏重于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的建模，proe主要用于模具行業(yè)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)者在建模的過(guò)程中往往要根據(jù)項(xiàng)目的對(duì)象而靈活使用不同的建模軟件，取其長(zhǎng)處，避其短處。前期模型的制作效果直接影響整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)效果。

1.2.2 動(dòng)畫(huà)素材的制作

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的是一個(gè)動(dòng)態(tài)世界，優(yōu)秀的動(dòng)畫(huà)素材能使虛擬世界更加的真實(shí)和震撼。在此方面無(wú)疑3Dmax和maya占據(jù)著絕對(duì)的地位。而動(dòng)畫(huà)制作在虛擬現(xiàn)實(shí)中主要是分為人體動(dòng)畫(huà)的制作和普通物體動(dòng)畫(huà)。3DMAX和maya都能出色地完成任務(wù)，唯一要注意的就是二者軟件與相應(yīng)的虛擬集成平臺(tái)之間的接口問(wèn)題。

1.2.3 虛擬集成平臺(tái)的使用

虛擬集成平臺(tái)主要用于項(xiàng)目資源的最后整合，將前面所得到的模型和動(dòng)畫(huà)素材最后整合成一個(gè)項(xiàng)目，并對(duì)其進(jìn)行渲染，可以把第一步和第二步比作材料生產(chǎn)廠，則虛擬集成平臺(tái)的使用可以認(rèn)為是是最后的組裝廠。此外，虛擬集成平臺(tái)之所以是上面那些軟件所不能替代的主要原因就是可以在虛擬平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目與外設(shè)硬件設(shè)備的交互如常見(jiàn)的外設(shè)鍵盤(pán)，鼠標(biāo)。到比較高級(jí)的體感設(shè)備如kinect等。目前主流的虛擬集成平臺(tái)主要有virtools，3DVIA studio，Unity3D等等，這些平臺(tái)可以按照自己的情況進(jìn)行選用，像u3d由于在游戲引擎方面的強(qiáng)大實(shí)力，所以如果單獨(dú)用來(lái)開(kāi)發(fā)普通的2d和3d游戲則U3d是比較好的選擇，目前國(guó)內(nèi)相關(guān)的資料也是比較齊全。但是如果要考慮輸出成3d顯示效果的project則virtools和3DVIA studio在這方面有著比較充足的預(yù)設(shè)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種3d顯示效果。

1.2.4 虛擬現(xiàn)實(shí)體感設(shè)備的交互系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與調(diào)試

虛擬現(xiàn)實(shí)體感設(shè)備主要可分為視覺(jué)感知設(shè)備，聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備，觸覺(jué)和力反饋設(shè)備，位置跟蹤設(shè)備。目前在市場(chǎng)已經(jīng)有著紛繁復(fù)雜的體感設(shè)備如微軟的kinect，任天堂的wili，視覺(jué)頭盔等，通過(guò)這些體感設(shè)備實(shí)時(shí)讀入現(xiàn)實(shí)生活中的數(shù)據(jù)，而進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新和實(shí)時(shí)建模和渲染，從而使構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)世界實(shí)時(shí)交互的虛擬系統(tǒng)，這將會(huì)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方面。我們應(yīng)該慶幸我們站在巨人的肩膀上，微軟這些公司已經(jīng)為我們提供了及其強(qiáng)大的硬件支持，使我們有可能獨(dú)立的完成虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)工作。但是同時(shí)開(kāi)發(fā)者自己也必須擁有一定的接口開(kāi)發(fā)能力來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的體感硬件和自己所使用的軟件的接口開(kāi)發(fā)，如此才能夠在未來(lái)虛擬市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)之時(shí)立足于不敗之地。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用和其展望

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)由于其相對(duì)于現(xiàn)實(shí)的高實(shí)現(xiàn)性和低成本性，必將廣泛用于各個(gè)行業(yè)。如對(duì)于航空行業(yè)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以不必購(gòu)進(jìn)價(jià)格高昂的航空發(fā)動(dòng)機(jī)便可以對(duì)其進(jìn)行熟悉和研究。建筑行業(yè)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以虛擬動(dòng)態(tài)演示各種建筑設(shè)施，從而增加銷售業(yè)績(jī)。醫(yī)療領(lǐng)域可以通過(guò)虛擬虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仿真培訓(xùn)課程，對(duì)外科醫(yī)生進(jìn)行開(kāi)刀培訓(xùn)，大大增加醫(yī)護(hù)人員的醫(yī)療水平。同時(shí)隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)水平的進(jìn)步，總有一天虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)走進(jìn)千家萬(wàn)戶，在各個(gè)方面影響人們的生活。

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