虛擬現(xiàn)實技術及其應用探究

李良志

摘 要：近年來，虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展迅速。國內(nèi)外科學家的潛心研究使得虛擬現(xiàn)實技術不斷完善，有關研究成果層出不窮。此外，虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)開始應用于人們生產(chǎn)生活中的各個領域，與原有技術有機結(jié)合，為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。本文綜述了虛擬現(xiàn)實技術的概念、歷史和技術原理。并就其在游戲、建筑、醫(yī)療等領域的應用做了介紹，最后對其發(fā)展進行了展望。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實;環(huán)境模擬;應用

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）03-0030-02

1 虛擬現(xiàn)實技術的簡介

1.1 虛擬現(xiàn)實技術的概念

虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，VR），又稱靈境技術，是20世紀發(fā)展起來的一項全新的實用技術。虛擬現(xiàn)實技術囊括計算機、電子信息、仿真技術于一體，其基本實現(xiàn)方式是計算機模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。隨著社會生產(chǎn)力和科學技術的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對VR技術的需求日益旺盛。VR技術也取得了巨大進步，并逐步成為一個新的科學技術領域[1]。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展

虛擬現(xiàn)實技術被認為是當前及將來影響人們生活的重要技術之一。[2]二十世紀三四十年代，一位小說家在他的小說中提出了相關構(gòu)想。其后就有人以此構(gòu)想為基礎，研究出了相關技術并申請了專利。在此之后，虛擬現(xiàn)實技術不斷發(fā)展。頭部顯示器HMD及頭部位置跟蹤系統(tǒng)相繼問世，并且有關的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)也很快被研發(fā)出來。至此，人們已經(jīng)可以利用相關穿戴設備實現(xiàn)初步的虛擬體驗。

時至今日，虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)被不斷完善并開始應用于各個領域。在諸如游戲軍事醫(yī)療等領域中，虛擬現(xiàn)實技術都有著巨大的應用價值。隨著時代的進步，科技的發(fā)展，VR穿戴設備的質(zhì)量也在不斷提高，價格在逐漸降低，便于其走向?qū)こ４蟊姷纳?。雖然目前虛擬現(xiàn)實技術在普通人的生活中還很少見，但是多數(shù)人已經(jīng)可以通過周邊的虛擬現(xiàn)實體驗館對其有個初步了解。其發(fā)展歷程如圖1所示。

2 虛擬現(xiàn)實技術原理簡介

為了實現(xiàn)人的虛擬體驗，虛擬現(xiàn)實技術需要完成信息的采集，三維環(huán)境的模擬，以及虛擬環(huán)境的呈現(xiàn)等任務。

2.1 信息的采集

信息的采集主要是指利用傳感器技術將人體的行為信息轉(zhuǎn)換為計算機語言輸入計算機的過程.其核心技術為傳感器技術，即利用光，聲，熱等傳感器將采集到的人體行為轉(zhuǎn)換為相關數(shù)據(jù)并傳遞給計算機的過程.舉個例子說，如果我們想要采集人的語言信息，如人說“我和你”時，虛擬現(xiàn)實技術就要利用聲傳感器等將捕獲的語言信息“我和你”轉(zhuǎn)換為一個數(shù)據(jù)流輸入計算機?？偠灾?，信息的采集過程主要以傳感器技術為核心實現(xiàn)行為信息到計算機數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

2.2 虛擬環(huán)境的模擬

當信息采集并傳遞給計算機后，進一步的過程便是利用計算機分析采集到的信息并以此為依據(jù)進行虛擬環(huán)境的模擬。在這個過程中，采集到信息會被計算機系統(tǒng)接收與理解，然后通過計算機實時建模即進行虛擬環(huán)境的模擬，使模擬現(xiàn)實系統(tǒng)真實表達瞬息萬變的現(xiàn)實世界。想要模擬出一個“真實的”虛擬世界，其核心問題是解決好視、聽、力、觸、體、味等方面與現(xiàn)實世界類似的VR內(nèi)容的有機組合，然后由計算機系統(tǒng)構(gòu)建并呈現(xiàn)出一個模擬的虛擬世界。本過程的目的是模擬現(xiàn)實世界并進行模擬建模，模型越加貼近現(xiàn)實，效果自然就好，這也是目前虛擬現(xiàn)實技術專家前進的方向。

2.3 虛擬環(huán)境的呈現(xiàn)

完成虛擬環(huán)境的模擬后，便要想方設法將構(gòu)建的虛擬世界反饋給人體。這個過程可以簡單理解成信息采集過程的反過程，即讓人體采集計算機信息。換言之，就是將所謂的計算機語言再次轉(zhuǎn)換成行為信息，使人覺得自己正處在一個“現(xiàn)實”環(huán)境中。該過程的實現(xiàn)需要依靠VR的相關硬件，如頭盔顯示器、3D立體眼鏡等設備。當人體接受信息，便可進一步做出反應，再通過上述過程，再次實現(xiàn)人機互動，多次的擁有沉浸感的互動便構(gòu)成了人在虛擬環(huán)境的活動過程。其實，虛擬現(xiàn)實技術的核心是計算機技術及其延伸技術，利用這些技術實現(xiàn)人與虛擬環(huán)境之間的交互給人以沉浸感，便實現(xiàn)了虛擬實現(xiàn)技術的初步要求。

3 虛擬現(xiàn)實技術在某些領域的應用情況

由于虛擬現(xiàn)實技術具有交互性和仿真性等特點，其在各個領域都具有廣泛的應用前景，下文僅就其在游戲、醫(yī)療、建筑等領域的應用進行介紹。

3.1 游戲領域

虛擬現(xiàn)實技術在游戲領域具有非凡的應用價值，憑借虛擬現(xiàn)實技術所具有的沉浸式體驗與交互性特點，游戲開發(fā)商利用其開發(fā)出的相關游戲軟件，具有較尋常游戲更加良好的游戲體驗感。由于虛擬現(xiàn)實技術具有3I特征（沉浸、交互、想象），因此可以給廣大游戲愛好者帶來全新的感受[3]。通過穿戴設備，玩家的機體動作可以隨時被計算機捕獲轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)輸入虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)隨及做出處理對虛擬現(xiàn)實環(huán)境進行修改，再將新的虛擬現(xiàn)實模型傳遞給所有的用戶，用戶通過身上的轉(zhuǎn)換設備即可客觀感受到虛擬環(huán)境的變化，隨后人的肌體在接受了相關信息后又可再次做出回應。例如，玩家在游戲過程中收到了攻擊，其相應的身體部位就會受到刺激，產(chǎn)生對應的疼痛感，當然這并不會造成真正的傷害，但其帶來的主觀感受感卻可以很大程度上滿足玩家的需要。目前的虛擬現(xiàn)實游戲可以基本上實現(xiàn)上述過程，但是還遠遠達不到《頭號玩家》中綠洲的那種程度。不過隨著技術的進步，在不久的將來一切都有可能實現(xiàn)。

3.2 醫(yī)療領域

基于虛擬現(xiàn)實技術的仿真性，其在醫(yī)療領域的應用價值是不可忽略的。診斷層次上，利用虛擬診斷可以在一定程度上減少誤診的幾率，通過信息采集系統(tǒng)可以將采集到的人體信息儲存在電腦里，并以此為基礎構(gòu)建起數(shù)據(jù)庫。將各種人體信息顯示在數(shù)字人身上，構(gòu)成虛擬仿真人體模型，可以使診斷達到直觀化、可使化、精確化的效果，簡單地說，當虛擬現(xiàn)實技術達到一定程度上，醫(yī)生可以以一種“上帝”的視角了解病人的情況，輕觸構(gòu)建的數(shù)字人模型，便可獲得相關的詳細信息，便于醫(yī)生作出診斷。手術層次上，可以利用虛擬手術系統(tǒng)制定更加合理的手術方案并使手術過程簡易化。當數(shù)據(jù)人模型建造出來后，我們可以將這個數(shù)據(jù)人在一定程度上等效為現(xiàn)實世界的病人。醫(yī)生可以以數(shù)據(jù)人的醫(yī)學影像評估病人的實際情況，并在細節(jié)層面上把握病人的病灶信息，然后擬定手術方案，在手術方案制定后，還可以進一步進行調(diào)整與優(yōu)化。如可以利用計算機構(gòu)建的虛擬環(huán)境中進行預手術，按照預手術的情況，評價原手術方案并進行修改，以此可以使手術方案愈加合理化，從而提高手術的成功率。而在實際的手術過程中，尤其是一些顯微手術。虛擬現(xiàn)實技術可以實現(xiàn)精微手術的宏觀化。即通過虛擬手術系統(tǒng)將手術部位放大，醫(yī)生按照放大后的常規(guī)手術操作即可，同時，由顯微機械手來實現(xiàn)醫(yī)生宏觀操作的細微化，以期達到精準微創(chuàng)的效果，大大降低了手術的操作程度。醫(yī)療教學層次，眾所周知，臨床手術是需要進行訓練的，而在現(xiàn)實世界上，手術訓練是難以開展的，但在虛擬世界中，虛擬手術系統(tǒng)可以為醫(yī)療從事者提供這樣的機會，在觀看相關手術教學后，醫(yī)療人員可以拿虛擬世界中的數(shù)字人進行手術操作驗證自己的所得并發(fā)現(xiàn)不足，進一步改正操作。通過在數(shù)字人身上的反復演講、學習，提高操作熟練度，避免不必要的醫(yī)療事故與損傷。

3.3 建筑領域

虛擬現(xiàn)實技術在建筑領域也有著廣闊的應用。設計方案層次上，在擬定建筑設計方案的過程中，工程師需要考慮設計的合理性、成本、美觀等多個方面，利用虛擬現(xiàn)實技術可以幫助工程師制定出更加合理可行的方案。當工程師的設計方案起草完成或猶豫計劃的下一步驟該如何進行時，可以先將設計方案輸入虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，在虛擬世界上對設計方案執(zhí)行，這樣可以直觀地呈現(xiàn)出設計結(jié)果，工程師可以以此為基礎對設計方案進行修改或進一步?jīng)Q定下一步設計方案。建筑施工層次，在設計方案制定化，建筑施工方不必急于落實方案，可以根據(jù)目前的人力、財力、物力，在虛擬空間內(nèi)進行設計方案的預實施，通過虛擬施工的情況合理規(guī)劃實際施工過程人力、物力、財力的分配，從而實現(xiàn)施工過程的優(yōu)化，爭取以最小的人力、物力、財力的消耗，最短的工期，最高的效率完成計劃的施工。建筑外觀層次，考慮到當今時代人們對建筑的要求不僅局限在功能層面上，還涉及審美領域，對建筑方案施工后的成果有個最起碼的外觀估計是有必要的。而這正是虛擬現(xiàn)實技術在建筑領域適用的又一價值所在。在實現(xiàn)設計方案和施工方案的優(yōu)化后，可以對最終的方案進行一次虛擬執(zhí)行來了解施工成果的外觀情況，并以此結(jié)果來決定方案是否進一步修改，執(zhí)行還是摒棄。

4 虛擬現(xiàn)實的發(fā)展趨勢及展望

虛擬現(xiàn)實技術近些年發(fā)展迅速，在理論研究、技術創(chuàng)新、系統(tǒng)開發(fā)和應用推廣方面都取得重要發(fā)展，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應用前景。[4]但是虛擬現(xiàn)實技術目前仍存在一些沒有徹底解決的關鍵性技術障礙，相關設備價格也過于昂貴，應用領域不夠廣泛。如何解決好這些問題是當前及未來幾年里科學家們奮斗的方向。相信隨著虛擬現(xiàn)實技術的進一步發(fā)展和相關設備價格的逐漸降低，虛擬現(xiàn)實技術必定會走向?qū)嵱没推矫窕?/p>

參考文獻

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[4] 趙沁平.虛擬現(xiàn)實綜述[J].中國科學，2009，39（1）：2.