虛擬現(xiàn)實技術(shù)概論

王爽　陳永當(dāng)　孔繁錦　楊斌

【摘 要】本文概述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念，技術(shù)特征和分類，介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并做了最后的總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實；虛擬環(huán)境；沉浸；交互

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality Technology）是一項綜合集成技術(shù)，它的出現(xiàn)是計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)以及人工智能技術(shù)等交叉與綜合的結(jié)果。它利用計算機(jī)生成逼真的三維視覺、聽覺、嗅覺等各種感覺，使用戶通過適當(dāng)裝置，自然地對虛擬現(xiàn)實世界進(jìn)行體驗和交互作用[1]。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)特征

1993年Burdea G在Electro 93國際會議上發(fā)表的“Virtual Reality System and Application”一文中，提出了虛擬現(xiàn)實技術(shù)三個特征，即沉浸感、交互性、想象性[2]。

沉浸感是指用戶可以沉浸于計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中和使用戶投入到計算機(jī)生成的虛擬場景中的能力。

交互性是指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力，它是人機(jī)和諧的關(guān)鍵性因素。

想象性是指通過用戶沉浸在“真實的”虛擬環(huán)境中，與虛擬環(huán)境進(jìn)行了各種交互作用，從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識，從而可以深化概念，萌發(fā)新意，產(chǎn)生認(rèn)識上的飛躍。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的分類

虛擬現(xiàn)實是從英文Virtual Reality一詞翻譯過來的，Virtual就是虛假的意思，Reality 就是真實的意思，合并起來就是虛擬現(xiàn)實，也就是說本來沒有的事物和環(huán)境，通過各種技術(shù)虛擬出來，讓你感覺到就如真實的一樣。實際應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可分為四類[3]：

桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，也稱窗口中的虛擬現(xiàn)實。它可以通過桌上型機(jī)實現(xiàn)，所以成本較低，功能也最簡單，主要用于CAD（計算機(jī)輔助設(shè)）、CAM（計算機(jī)輔助制造） 、建筑設(shè)計、桌面游戲等領(lǐng)域。

沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，如各種用途的體驗器，使人有身臨其境的感覺，各種培訓(xùn)、演示以及高級游戲等用途均可用這種系統(tǒng)。

分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它在因特網(wǎng)環(huán)境下，充分利用分布于各地的資源，協(xié)同開發(fā)各種虛擬的現(xiàn)實。美國大型軍用交互仿真系統(tǒng) NPSNet 以及因特網(wǎng)上多人游戲 MUD 便是這類系統(tǒng)。

增強(qiáng)現(xiàn)實又稱混合現(xiàn)實系統(tǒng)。它是把真實環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來的一種系統(tǒng)，既可減少構(gòu)成復(fù)雜真實環(huán)境的開銷（因為部分真實環(huán)境由虛擬環(huán)境取代），又可對實際物體進(jìn)行操作（因為部分系統(tǒng)即系真實環(huán)境），真正達(dá)到了亦真亦幻的境界，是今后發(fā)展的方向。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣，主要包括航空航天、軍事、醫(yī)學(xué)、工程設(shè)計、教育等面向設(shè)計制造、維修和訓(xùn)練等領(lǐng)域。下面列舉了不同領(lǐng)域的一些典型應(yīng)用。

4.1 軍事及航空航天上的應(yīng)用

在軍事與航空航天上的應(yīng)用是 VR技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)有力催化劑。在航空上，利用CAD/CAM與VR結(jié)合進(jìn)行新型飛機(jī)設(shè)計，某些飛行模擬器中也采用頭盔顯示器模擬各種實戰(zhàn)場景，讓人感覺相當(dāng)真實[4]。載人航天研究中，訓(xùn)練時，航天員坐在一個模擬“載人操縱飛行器”功能、并帶有傳感器的椅子上。椅子上有用于在虛擬空間中作直線運(yùn)動的位移控制器和用于繞航天員質(zhì)心調(diào)節(jié)其姿態(tài)的姿態(tài)控制器。航天員頭戴立體頭盔顯示器，用于顯示望遠(yuǎn)鏡、航天飛機(jī)以及太空的模型；并用數(shù)據(jù)手套作為與系統(tǒng)進(jìn)行交互的手段。經(jīng)過該虛擬系統(tǒng)的訓(xùn)練，航天員終于在1993年12月成功地完成了將哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上損壞的 MRI 并用從航天飛機(jī)上取出的備件進(jìn)行更換這一復(fù)雜而又費(fèi)時的任務(wù)。

4.2 民用領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在軍事及航空航天上的成功應(yīng)用推動了其民用研究的開發(fā)，加之相關(guān)軟、硬件價格的下降，它的應(yīng)用已延伸到生產(chǎn)過程中的操作訓(xùn)練、市場營銷、醫(yī)療衛(wèi)生、游戲、建筑及工業(yè)設(shè)計等諸多方面[5]。例如，①操作訓(xùn)練：它不需要花費(fèi)巨額的費(fèi)用，利用 VR 技術(shù)就可進(jìn)行一些操作訓(xùn)練。②建筑及工業(yè)設(shè)計：虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可用來進(jìn)行各種虛擬設(shè)計（汽車虛擬設(shè)計、飛機(jī)虛擬設(shè)計和建筑虛擬設(shè)計等），由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的投入性和交互性，它比傳統(tǒng)的CAD技術(shù)能更好地滿足設(shè)計要求；③市場營銷：在大型展銷活動中，不僅僅地展示產(chǎn)品，而利用 VR 系統(tǒng)來詳細(xì)地介紹其結(jié)構(gòu)及性能，將給客戶產(chǎn)生更加神奇的體驗。④醫(yī)療衛(wèi)生：VR 可用于解剖教學(xué)、復(fù)雜手術(shù)過程的規(guī)劃，在手術(shù)過程中提供操作和信息上的輔助，預(yù)測手術(shù)結(jié)果以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等。⑤在現(xiàn)代教學(xué)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠為學(xué)生提供生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生能夠成為虛擬環(huán)境中的一名參與者，扮演一個角色。⑥VR 技術(shù)還可用在對人類有害或危險的場合，人無須進(jìn)入現(xiàn)場而只需在現(xiàn)場安裝適當(dāng)?shù)倪b感器或機(jī)器人，通過遠(yuǎn)程 VR 系統(tǒng)進(jìn)行對話或完成相應(yīng)任務(wù)。

5 發(fā)展趨勢

縱觀虛擬現(xiàn)實技術(shù)這 30 多年來的發(fā)展歷程，VR 技術(shù)的未來研究還是遵循“低成本、高性能”這一主線，從軟件、硬件上分別展開，有以下幾個主要發(fā)展方向[6]：

1）動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。虛擬環(huán)境的建立是VR技術(shù)的核心內(nèi)容，動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

2）實時三維圖形生成和顯示技術(shù)。三維圖形的生成技術(shù)已較成熟，而關(guān)鍵是如何“實時生成”。在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是今后重要的研究內(nèi)容[7]。

3）新型交互設(shè)備的研制。虛擬現(xiàn)實能讓參與者用人類自然的技能與感知能力與虛擬世界中的對象進(jìn)行交互作用，使之身臨其境，借助的輸入輸出設(shè)備主要有：頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、三維位置傳感器和三維聲音產(chǎn)生器等。因此，新型、便宜、魯棒性優(yōu)良的數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)服將成為未來研究的重要方向[8]。

4）智能化的語音虛擬現(xiàn)實建模。VR建模是一個比較繁復(fù)的過程，它的建立需要開發(fā)人員花費(fèi)大量的時間和精力。為了解決這個問題，可以考慮將VR技術(shù)與智能技術(shù)、語音識別技術(shù)結(jié)合起來。任何模型都包含有模型的概念、模型的描述、模型的功能約束條件、模型的空間和模型的多種形態(tài)等基本特征說明[9]。

5）大型網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實（Distributed Virtual reality，DVR）的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)分布式VR將分布于多個地點(diǎn)的VR系統(tǒng)或仿真器通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)聯(lián)結(jié)起來，采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫形成一個在時間和空間上互相耦合的虛擬/合成環(huán)境，參與者可自由地進(jìn)行交互作用[10]。

6 總結(jié)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)充滿活力，它正在向?qū)嵱梅较蜻~進(jìn)，向人們展示了廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù)為“21 世紀(jì)的新科技”，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是本世紀(jì)發(fā)展的重要技術(shù)之一，作為一門科學(xué)和藝術(shù)將會不斷走向成熟，在各行各業(yè)中將得到廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮神奇的作用，21 世紀(jì)將是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的時代。當(dāng)然，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還是一門年輕的科學(xué)技術(shù)，尚存在不少有待解決的問題。例如，在計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，操作者每次轉(zhuǎn)動頭部，計算機(jī)必須更新三維圖像，由于更新的數(shù)據(jù)太大，以致計算機(jī)還無法完成實時運(yùn)算，這就造成了系統(tǒng)滯后。

【參考文獻(xiàn)】

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[10]胡小強(qiáng).虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]