淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

胡章榮 西華師范大學(xué)教育信息技術(shù)中心

1 虛擬現(xiàn)實(shí)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為平臺，利用并綜合三維圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)、伺服技術(shù)等多種高科技最新成果。利用計(jì)算機(jī)等多種設(shè)備為人類創(chuàng)建一個虛擬空間，在這個虛擬空間里，用戶可以跟任何事物進(jìn)行自然交互，并向參與者傳導(dǎo)視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、導(dǎo)航漫游等身臨其境的感受，使參與者能夠與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的三維實(shí)體進(jìn)行交互和感知，親身體驗(yàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)世界遨游的神秘、浩瀚感受。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展

VR的最早起源于19世紀(jì)起的360°壁畫和全景圖，通過繪畫填充觀看者的整個視野，使他們感受到一些歷史事件或場景。在1838年，Charles Wheatstone利用雙目視差原理發(fā)明出了可以看出立體畫面的立體鏡，通過立體鏡觀察兩個并排的立體圖像或照片給用戶提供縱深感和沉浸感。1849年David Brewster以凸透鏡取代立體鏡中的鏡子發(fā)明了改良型的立體鏡，而且立體鏡的設(shè)計(jì)原理也應(yīng)用于當(dāng)今較為流行的3D立體視覺模擬技術(shù)和低廉的VR頭戴式顯示器，它們都是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和顯示成像技術(shù)對左右眼分別提供一組視角不同的畫面來營造出雙目視差的環(huán)境，從而讓人感覺到立體畫面。1929年，Edward Link發(fā)明了歷史上第一個純機(jī)電的商業(yè)飛行模擬器，它由連接到方向舵和轉(zhuǎn)向柱的電動機(jī)控制，以修改俯仰和滾轉(zhuǎn)。1960年Morton Heilig 發(fā)明了第一個VR頭戴式顯示器，它給觀眾帶來完全真實(shí)的感覺，比如移動彩色三維圖像、沉浸其中的視角、立體的聲音、氣味和空氣流動的感覺。第二年，工程師Comeau和Bryan開發(fā)了第一個HMD的前驅(qū)物—Headsight，盡管Headsight缺乏計(jì)算機(jī)和圖像生成的集成，但它仍是VR頭戴式顯示器演變的第一步。1965年，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父和虛擬現(xiàn)實(shí)之父Ivan Sutherland發(fā)表了一篇題為“Ultimate Display”的論文，文章指出，應(yīng)該將計(jì)算機(jī)顯示屏幕作為“一個觀察虛擬世界的窗口”，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠使該窗口中的景象、聲音、事件和行為非常逼真。1968年，Ivan和他的學(xué)生Bob Sproull創(chuàng)建了第一款連接到計(jì)算機(jī)而不是相機(jī)的VR/AR頭戴顯示器, 被稱為“達(dá)摩克利斯之劍”。1969美國計(jì)算機(jī)藝術(shù)家、互動藝術(shù)家從事了許多計(jì)算機(jī)互動的工作，其中包括GlowFlow。GlowFlow是一個由計(jì)算機(jī)控制，以人響應(yīng)作為輸入的環(huán)境，是早期虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境原型。1987年美國VPL公司研發(fā)出了一系列虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，包括Dataglove和EyePhone頭戴式顯示器和手套，其創(chuàng)建人Jaron Lanier提出了VR概念。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)的特征

模擬出真實(shí)空間，讓用戶沉浸其中，并與環(huán)境自然交互，激發(fā)用戶想象，尋求問題解決方案是虛擬現(xiàn)實(shí)的主要功能之一。虛擬現(xiàn)實(shí)只有同時具備沉浸性、交互性和想像性才能讓用戶體驗(yàn)更真實(shí)的感受。(1)沉浸性,虛擬現(xiàn)實(shí)最主要的特征就是讓用戶感覺就像置身于真實(shí)世界中一樣，并可以通過視覺感知，聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動感知、味覺感知、嗅覺感知等感知系統(tǒng)與虛擬世界中的情景進(jìn)行自然交互。理想的虛擬環(huán)境足以以假亂真，達(dá)到難以辨別真假的程度，甚至超越真實(shí)，實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)實(shí)更逼真的照明和音響效果。(2)交互性,用戶可以借助VR系統(tǒng)中的特殊設(shè)備（如數(shù)據(jù)手套、虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示設(shè)備等）使參與者能夠與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的三維實(shí)體進(jìn)行交互和感知，親身體驗(yàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)世界遨游的神秘、浩瀚感受。與過去通過鼠標(biāo)、鍵盤等手工方式與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行交互相比而言，在VR中，用戶完全沉浸在虛擬世界中，無法感知計(jì)算機(jī)的存在，用戶的一些自然的動作，如腳的走動、頭的轉(zhuǎn)動、手的移動等，都會通過傳感器傳導(dǎo)給VR系統(tǒng)，做出實(shí)時響應(yīng)。(3)想像性,VR不僅僅是一個交互窗口或交互界面，同時它還是為解決生活中的實(shí)際問題而由開發(fā)者設(shè)計(jì)出來的應(yīng)用軟件。是為發(fā)揮設(shè)計(jì)者想象和創(chuàng)新性而設(shè)計(jì)的，為人類認(rèn)識世界提供的一種全新的方法和手段，可以使人類跨越時間與空間，去經(jīng)歷和體驗(yàn)世界上早已發(fā)生或尚未發(fā)生的事件；也可以模擬因條件限制等原因而難以實(shí)現(xiàn)的事情。

4 VR的應(yīng)用

目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用面較廣，涉及軍事、航空、教育、建筑、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、文化、藝術(shù)與娛樂等領(lǐng)域。

4.1 VR在應(yīng)急推演

對于一些具有一定危險性的行業(yè)，如消防、電力、石油、礦產(chǎn)、航空、軍事等，為了在事故發(fā)生時將損失降到最低，就會對各種設(shè)備的運(yùn)行情況及災(zāi)難發(fā)生時的情景進(jìn)行定期推演。但這種推演會耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，不能頻繁進(jìn)行。虛擬現(xiàn)實(shí)的出現(xiàn)為應(yīng)急演練提供了一種全新的方式，將現(xiàn)實(shí)環(huán)境模擬到虛擬場景中去，人為制造各種事故，安排人員對事故做出正確的反應(yīng)。降低演練成本，提高演練頻率，使演練不受時間和空間的限制，擴(kuò)大演練范圍和人員數(shù)量，提高對災(zāi)難的應(yīng)對能力，減少災(zāi)難造成的損失。

4.2 VR在醫(yī)學(xué)應(yīng)用

VR在教學(xué)和醫(yī)療手術(shù)中具有重要意義。在虛環(huán)境模擬人體模型，借助于跟蹤球、HMD、感覺手套，學(xué)生可以很直觀了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu)，這比現(xiàn)有的采用教科書的方式要有效得多。在90年代初Pieper和Satara等人設(shè)計(jì)了一個用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬的虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器。并在這里虛擬了手術(shù)臺和手術(shù)燈，人體模型與器官，外科工具（如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等）等。使用者可以借助HMD及感覺手套對虛擬的人體模型進(jìn)行手術(shù)。為了打破空間限制，可以增加網(wǎng)絡(luò)功能，讓多個使用者在外地專家的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)或協(xié)同工作。通過虛擬手術(shù)訓(xùn)練器不僅可以提高使用者的技能，而且還能使醫(yī)療資源得到充分共享，降低醫(yī)療成本，提高醫(yī)術(shù)水平。

4.3 VR在游戲中的應(yīng)用

游戲?qū)μ摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展起了巨大的推動作用，電腦游戲自產(chǎn)生以來，一直都在朝著虛擬現(xiàn)實(shí)的方向發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)已經(jīng)成為三維游戲工作者的崇高追求。雖然還有很對技術(shù)問題沒有解決，但在激烈的競爭中，越來越多的新技術(shù)得到了重視，并在游戲中得以應(yīng)用。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，游戲在保持其實(shí)時性和交互性的同時，逼真度和沉浸感方面正在一步步提高和加強(qiáng)，并已從最初的文字MUD游戲開始，經(jīng)歷二維游戲、三維游戲，發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)三維游戲了。我們相信，隨著三維技術(shù)的快速發(fā)展和軟硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步，在不遠(yuǎn)的將來，真正意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲必將為人類娛樂、教育和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出新的更大的貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語

本文就虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）的概念、特征、發(fā)展和主要應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了介紹，由此可知，VR作為當(dāng)前及未來研究的熱門技術(shù)，可以被廣泛應(yīng)用到生活中的各個領(lǐng)域，必將推動各領(lǐng)域的快速發(fā)展。