虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

廖斯羽

摘 要 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)VR，又稱(chēng)為臨境技術(shù)，是在20世紀(jì)末出現(xiàn)的一項(xiàng)基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的技術(shù)。通過(guò)傳感設(shè)備模擬出視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等各種感官，使用戶(hù)沉浸在虛擬世界，并與其進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。文章介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷史、特點(diǎn)、應(yīng)用，以及對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)未來(lái)發(fā)展的展望。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；應(yīng)用；特點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）222-0127-02

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近些年出現(xiàn)并逐漸興起的一項(xiàng)高新技術(shù)，是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)多媒體技術(shù)傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，有很強(qiáng)的學(xué)科交叉性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)為首的現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，模擬產(chǎn)生出一個(gè)三維的虛擬環(huán)境，用戶(hù)可利用輸入輸出設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，并獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感知。目前，它在多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著作用。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展

虛擬現(xiàn)實(shí)最早起源于20世紀(jì)五六十年代，莫頓·海利希發(fā)明出了世界上第一套虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備sensorama。這套設(shè)備運(yùn)用了三面顯示屏，十分龐大，但運(yùn)算能力明顯不足。使用者要把頭部伸入機(jī)器中，才能獲得微弱的沉浸感。1968年，被稱(chēng)為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)之父的伊凡·蘇澤蘭設(shè)計(jì)創(chuàng)造出了第一款頭戴式顯示器，但由于機(jī)器過(guò)于沉重，使用者無(wú)法戴在手上，需要借助天花板上的支撐桿。

70年代時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)得到了猛烈的發(fā)展。運(yùn)用當(dāng)時(shí)的技術(shù)，已經(jīng)能造出完整的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，不過(guò)造價(jià)十分昂貴，畫(huà)面也不夠清晰。

進(jìn)入90年代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相對(duì)成熟，任天堂等公司紛紛推出VR產(chǎn)品，卻也未能掀起大的波瀾，由于高昂的價(jià)格和單調(diào)的性能，大多數(shù)群眾將其拒之門(mén)外。在2012年，oculus公司利用眾籌的方式將VR設(shè)備的價(jià)錢(qián)降低到了300美元，這使更多人有能力購(gòu)買(mǎi)，VR設(shè)備逐漸進(jìn)入大眾視野，2014年，谷歌公司發(fā)布Google CardBoard，三星發(fā)布了Gear VR，另外蘋(píng)果、索尼等也相繼發(fā)布了虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。這時(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已在充分發(fā)展，科學(xué)界也意識(shí)到它的廣闊前景，VR開(kāi)始應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

2.1 沉浸性

沉浸性是指用戶(hù)作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。用戶(hù)通過(guò)使用專(zhuān)用的設(shè)備，將自身沉浸入虛擬環(huán)境之中，并能使用語(yǔ)言、動(dòng)作等方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象相互交流，就像在真實(shí)世界中的一樣，給予人身臨其境之感。影響沉浸感的主要因素是多感知性，人體所具有的感官包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)和嗅覺(jué)等，多感知性就是模擬出人體的多種感知。用戶(hù)獲得的感官刺激越多，自身在虛擬環(huán)境中的代入感和主動(dòng)性就會(huì)加強(qiáng)。而理想的虛擬現(xiàn)實(shí)就是具有人所有的感知功能。但由于目前的傳感技術(shù)限制，還不具備模擬所有感官的能力。

VR電影就是沉浸性的典型應(yīng)用，觀(guān)眾通過(guò)佩戴VR眼鏡看到立體的畫(huà)面，因其視角的特殊性，會(huì)讓觀(guān)眾覺(jué)得電影的一切就像在自己的身邊發(fā)生，再輔之以立體環(huán)繞的音效，給觀(guān)眾帶來(lái)宛如身臨其境的震撼效果。VR電影還具有很大的自主性，觀(guān)眾可以放大或縮小畫(huà)面，看到平常電影所無(wú)法觀(guān)測(cè)到的一切細(xì)節(jié)。

2.2 交互性

交互性是指用戶(hù)對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。用戶(hù)通過(guò)交互設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，比如說(shuō)，當(dāng)你在虛擬環(huán)境中看到一個(gè)箱子，舉起它時(shí)你能感受到它的重量，這類(lèi)交互行為很大程度上地增加了用戶(hù)的沉浸感，使其仿佛身臨現(xiàn)實(shí)世界。比起被動(dòng)的執(zhí)行動(dòng)作，交互性給用戶(hù)帶來(lái)了更真實(shí)和多樣的體驗(yàn)，也讓整個(gè)虛擬環(huán)境更具創(chuàng)造力和活力，而這正是VR技術(shù)較于傳統(tǒng)電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)的主要所在。

交互性如今應(yīng)用在許多方面，比如藝術(shù)家可通過(guò)其更好的創(chuàng)造與修改他們的作品。藝術(shù)家通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)立體地觀(guān)察作品，放大想要查看的細(xì)節(jié)，這增強(qiáng)了藝術(shù)家對(duì)作品的了解。

2.3 構(gòu)想性

構(gòu)想性是指虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境為用戶(hù)提供的構(gòu)想空間，用戶(hù)可在虛擬環(huán)境中模擬一樣未執(zhí)行的事所具有的多種結(jié)果，將各項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可得出最佳的執(zhí)行方案。比如說(shuō)，在建筑設(shè)計(jì)上，可以將不同的設(shè)計(jì)投放在模擬的環(huán)境中，方便建筑師選出最與環(huán)境相得益彰的設(shè)計(jì)。同時(shí)，有部分事物如武器，不方便在現(xiàn)實(shí)世界中模擬，也能在虛擬環(huán)境中測(cè)試其具有的威力。甚至有些事物在現(xiàn)實(shí)中根本不可能存在，我們也能將其呈現(xiàn)出來(lái)，像恐龍等已滅絕的生物，可在虛擬環(huán)境中構(gòu)造與展現(xiàn)，滿(mǎn)足人們對(duì)其的好奇。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用

3.1 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始應(yīng)用在醫(yī)學(xué)方面的。最開(kāi)始只是對(duì)個(gè)體的局部做CT掃描，得到相應(yīng)的二維圖像，后來(lái)又研究出了可進(jìn)行虛擬手術(shù)操作的虛擬三維人體視圖，并且在90年代互聯(lián)網(wǎng)上出現(xiàn)了“虛擬解剖手術(shù)”，人們可利用互聯(lián)網(wǎng)對(duì)動(dòng)物進(jìn)行假想手術(shù)操作，進(jìn)一步推動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。到了現(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)上起著多方面的作用。

1）虛擬醫(yī)學(xué)課堂。在虛擬課堂中，醫(yī)學(xué)研究者可借助傳感設(shè)備，從各個(gè)角度觀(guān)察人體結(jié)構(gòu)，放大他們想查看的細(xì)節(jié)，這讓他們對(duì)人體結(jié)構(gòu)有了更深刻的了解，并減少了觀(guān)察成本。如果他們對(duì)特定的手術(shù)不夠熟悉，可以在虛擬課堂中不斷地練習(xí)，直到大致能掌握這類(lèi)手術(shù)，特別是有關(guān)心臟和腦部的手術(shù)，本身對(duì)醫(yī)生的微操要求很高，而在虛擬醫(yī)學(xué)課堂中練習(xí)可以較為有效地提高醫(yī)者的操作，由于不受器材、場(chǎng)地等的限制，對(duì)醫(yī)者來(lái)說(shuō)十分方便，同時(shí)也能極大提高他們的自信。

2）確定手術(shù)方案。醫(yī)生可將患者的信息和相關(guān)圖像輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可模擬出患者大致的體內(nèi)情況，模擬手術(shù)的過(guò)程，幫助醫(yī)生尋找出安全性最高的手術(shù)方案，在一定程度上減少對(duì)患者身體造成的傷害。通過(guò)此技術(shù)醫(yī)生還可對(duì)患者術(shù)后的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，制定最適合患者的術(shù)后恢復(fù)計(jì)劃。

3）心理疾病的醫(yī)治。對(duì)于患有心理疾病或具有心理障礙的患者而言，藥物是很難將其治的。而心理醫(yī)生的治療周期往往比較長(zhǎng)，需要耗費(fèi)醫(yī)生的大量精力。此時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)成為治療的另一手段。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以為患者營(yíng)造一個(gè)適宜的虛擬環(huán)境，減少他的情緒波動(dòng)。這種療法既提高了治療的效率，同時(shí)也方便了患者，具有廣闊的前景。

3.2 教育領(lǐng)域

因虛擬現(xiàn)實(shí)具有的出色的沉浸性，能讓用戶(hù)獲得如同身臨其境的感受，如果能與教學(xué)相結(jié)合，將成為老師的一大助力。而在近些年來(lái)，已有許多企業(yè)和組織進(jìn)行了嘗試，并取得了一些成就。

1）三維教學(xué)場(chǎng)景。有時(shí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)遇到難以理解或想象的知識(shí)點(diǎn)，若利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可幫助學(xué)生理解。如在學(xué)習(xí)立體幾何時(shí)，可通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立立體模型，并讓學(xué)生近距離地多角度地觀(guān)察模型。運(yùn)用三維學(xué)習(xí)場(chǎng)景也是一種提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和專(zhuān)注度的方法。就像學(xué)習(xí)語(yǔ)文課文《荷塘月色》時(shí)，可以將荷塘的美景呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，讓其更好地融入課堂。

2）虛擬實(shí)驗(yàn)室。虛擬實(shí)驗(yàn)室是在虛擬世界中開(kāi)辟一塊場(chǎng)地，讓同學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。比起現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)室，虛擬實(shí)驗(yàn)室能大幅減少資源的使用，也不受場(chǎng)地的限制。同時(shí)，一些危險(xiǎn)性較大的實(shí)驗(yàn)，在現(xiàn)實(shí)世界中無(wú)法完成，而在虛擬世界中可以實(shí)現(xiàn)。但不足的是，受到當(dāng)前技術(shù)水平的限制，實(shí)驗(yàn)的擬真程度還不夠，要真正達(dá)到跟現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)驗(yàn)一樣的話(huà)，還有一段路要走。

3.3 軍事領(lǐng)域

當(dāng)今世界的軍事實(shí)力的比拼，其實(shí)也是科技的比拼。其中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也被各個(gè)國(guó)家越來(lái)越看重。早在20世紀(jì)90年代，美國(guó)就收集許多地點(diǎn)的信息，斥巨資建造了用來(lái)進(jìn)行近戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練的系統(tǒng)，建立虛擬作戰(zhàn)環(huán)境。而在最近，我國(guó)也利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行模擬跳傘的訓(xùn)練，這些都體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事上的廣泛性。

1）虛擬作戰(zhàn)環(huán)境。士兵穿戴各式的交互設(shè)備，在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)模擬種種軍事行動(dòng)。他們可以進(jìn)行對(duì)環(huán)境的偵查，對(duì)士兵在特殊環(huán)境下對(duì)各項(xiàng)技能的訓(xùn)練，比如說(shuō)在高壓情況下如何瞄準(zhǔn)敵方部隊(duì)。還可以分組實(shí)戰(zhàn)演練。這無(wú)疑減少了成本，節(jié)約了更多的作戰(zhàn)資源，士兵也不會(huì)受到真正的傷害。

由于不受場(chǎng)地的限制，只有佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，士兵就能多次地進(jìn)行訓(xùn)練，有效地增強(qiáng)了他們的作戰(zhàn)能力，提升他們的心理素質(zhì)，到了現(xiàn)實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)上面對(duì)緊急情況時(shí)他們往往能更冷靜地處理。而且虛擬環(huán)境讓士兵有更多的時(shí)間接觸和使用武器，提高他們對(duì)所用武器的熟練度。在多人同時(shí)訓(xùn)練時(shí)，戰(zhàn)士間將變得越來(lái)越默契，隊(duì)伍也能有更大的凝聚力。

2）軍事設(shè)備的操控。坦克、軍用飛機(jī)等軍事設(shè)備的操控室都占據(jù)了設(shè)備的些許空間，可能會(huì)對(duì)設(shè)備的功能的發(fā)展造成一定的阻礙，也容易遭受到敵方的針對(duì)的攻擊。雖然有無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)，但其在遇到突發(fā)情況時(shí)往往表現(xiàn)的很笨拙。此時(shí)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操控不失為一個(gè)很好的解決辦法。通過(guò)傳感設(shè)備，駕駛員進(jìn)入一個(gè)三維立體環(huán)繞的操控間，操控和調(diào)試設(shè)備。這能有效地節(jié)約空間，駕駛員也能調(diào)整到最適合自己的操作面板距離，使操作更為方便。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的前景展望

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)許多領(lǐng)域帶來(lái)了積極的影響。但還有所欠缺的是，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并不完全成熟，它的擬真度還不足，無(wú)法模擬出人體全部的感官。而在未來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，這些問(wèn)題將會(huì)得到解決的方案。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也會(huì)像一張網(wǎng)一樣覆蓋在各個(gè)領(lǐng)域，給我們的生活帶來(lái)巨變。

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