虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用探討

徐新星

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種借助計(jì)算機(jī)所模擬的三維環(huán)境，能夠有效創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠確保使用人員從視覺，聽覺和觸覺感官上均感受到視聽環(huán)境，其涵蓋較多方面技術(shù)類型，屬于多技術(shù)綜合集成技術(shù).此次研究主要是圍繞虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展開討論，首先介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征，結(jié)構(gòu)和類型，在此基礎(chǔ)之上分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)人員起到參考性價(jià)值.

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);應(yīng)用;未來發(fā)展

中圖分類號(hào)：TP391.9? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）10-0041-04

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要被稱為VR技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)圖形渲染能力所建造的三維虛擬空間，并且能夠應(yīng)用多項(xiàng)技術(shù)對(duì)用戶觸覺，視覺以及聽覺等直觀感受等進(jìn)行模擬，使用戶擁有身臨其境的感覺.在使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)期間，用戶能夠?qū)μ摂M空間的虛擬物體進(jìn)行瀏覽，并且應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所創(chuàng)造出的虛擬環(huán)境能夠使用戶感受到自身存在環(huán)境和活動(dòng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠充分應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，立體顯示技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)等，這樣能夠有效融合虛擬與現(xiàn)實(shí)，并且為現(xiàn)實(shí)活動(dòng)與虛擬環(huán)境搭建交流平臺(tái).虛擬現(xiàn)實(shí)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)虛擬世界進(jìn)行創(chuàng)造和體驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用期間能夠包容多種信息，可以在此多維化空間內(nèi)充分發(fā)揮出人類的感性認(rèn)知和理性認(rèn)知.

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和基本特征

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

一個(gè)完成的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)軟件和硬件系統(tǒng)，傳感器設(shè)備等.其中計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)主要包含大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且由多個(gè)小型計(jì)算機(jī)和工作站等構(gòu)成;計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)主要包括相關(guān)計(jì)算機(jī)模塊，包括控制模塊，反饋模塊，檢測(cè)模塊和傳感器模塊等.控制模塊主要是利用不同信息數(shù)據(jù)控制傳感器，這樣能夠確保用戶，虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間的交流互動(dòng);反饋模塊主要是對(duì)傳感器所反饋的信息進(jìn)行接受，反饋傳感器具有較多類型，屬于重要信息交互設(shè)備;檢測(cè)模塊主要是檢測(cè)虛擬環(huán)境中用戶所發(fā)出的指令;傳感器模塊主要是實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中的相應(yīng)動(dòng)作.下圖1為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖.

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征分析

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所探索和研究的領(lǐng)域中，能夠建立出與其他技術(shù)具有明顯特征的新型空間與應(yīng)用，如圖2所示.因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征表現(xiàn)在以下方面：

（1）沉浸性：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的“虛擬”理念主要是由于呈現(xiàn)出的環(huán)境沒有存在于現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，僅僅為計(jì)算機(jī)技術(shù)所創(chuàng)造的虛擬世界，這樣就會(huì)使用戶沉浸在虛擬空間中.此處所提及的沉浸主要是用戶利用虛擬環(huán)境設(shè)備將自身與虛擬環(huán)境融合在一起，使其處于虛擬環(huán)境中，在虛擬世界中用戶能夠感受和應(yīng)用不同物體，與現(xiàn)實(shí)世界的感覺比較相似.在虛擬環(huán)境中，用戶感受事物具有較高的真實(shí)性，充分給予其身臨其境的感覺.

（2）交互性：交互性主要是用戶對(duì)虛擬世界中物體的操作情況，能夠從環(huán)境中獲得反饋，比如在實(shí)際生活環(huán)境中與他人進(jìn)行交流一樣.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的人機(jī)教育與自然交互方式比較接近，用戶可以通過自身語(yǔ)言，機(jī)體運(yùn)動(dòng)等技能，全面考察或操作虛擬世界的人和物.計(jì)算機(jī)能夠按照用戶的指示和動(dòng)作對(duì)系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的聲音和圖像進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整.

（3）多感知性：虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)備所擁有的智能邏輯分析能力就被稱為多感知性.在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中裝設(shè)視傳感裝置，聽傳感裝置和觸傳感裝置及動(dòng)傳感裝置，因此用戶在虛擬環(huán)境中利用人機(jī)交互方式能夠獲得觸覺，聽覺，視覺以及動(dòng)覺等不同感知，這樣能夠達(dá)到身臨其境的感覺.

（4）構(gòu)想性：通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠創(chuàng)造出現(xiàn)實(shí)生活中不存在的人事物，并且能夠停留在人們思想中的場(chǎng)景.用戶可以應(yīng)用在虛擬環(huán)境中多種活動(dòng)獲得相應(yīng)的認(rèn)識(shí)，這樣能夠深入理解和掌握相關(guān)知識(shí)體系，產(chǎn)生出更加具有創(chuàng)意的想法，實(shí)現(xiàn)人們的認(rèn)知與思維方式的全新轉(zhuǎn)變.

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本分類

按照當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀能夠看出，在對(duì)其進(jìn)行分類時(shí)主要按照功能高低進(jìn)行劃分：

2.1 桌面級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要是應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真，計(jì)算機(jī)屏幕能夠作為參與者和用戶觀察的窗口，不同外部設(shè)備能夠?qū)μ摂M環(huán)境中的物體進(jìn)行操作，此種模式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠借助桌上級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，因此經(jīng)濟(jì)性比較高，功能較為單一，能夠應(yīng)用在計(jì)算機(jī)輔助輔助制造CAM和設(shè)計(jì)CAD，還能夠應(yīng)用到桌面游戲和建筑設(shè)計(jì)中.

2.2 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)

此種模式是在桌面級(jí)基礎(chǔ)之上增設(shè)多種人體交互設(shè)備，比如可應(yīng)用頭戴式或者手柄式顯示器.該系統(tǒng)具備眼球追蹤技術(shù)，可以應(yīng)用頭部跟蹤器和數(shù)據(jù)手套作為交互裝置，這樣能夠?qū)⒂脩舻囊暵犛X帶入到三維立體環(huán)境中，暫時(shí)分離用戶和現(xiàn)實(shí)環(huán)境，使其在虛擬環(huán)境中成為真實(shí)的人.在此種情況下，用戶能夠應(yīng)用多種交互設(shè)備對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行操作和駕馭，確保用戶感受到身臨其境.因此沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠應(yīng)用到培訓(xùn)演示，飛行員培訓(xùn)以及游戲領(lǐng)域中.

2.3 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下充分調(diào)動(dòng)不同區(qū)域的資源，使其構(gòu)建成具有強(qiáng)大功能的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng).分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)是在沉浸式基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)將不同區(qū)域的人事物連接在一起，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)不同用途，有效連接不同參與者，還能夠參與到虛擬空間中，有效體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷，確保用戶的協(xié)調(diào)工作的配合度發(fā)揮到極致.能夠預(yù)想到的是，來自不同國(guó)家的人員能夠應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)細(xì)條參與到同一場(chǎng)虛擬游戲中.

2.4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型模式屬于混合型系統(tǒng)，能夠有效結(jié)合虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中，這樣既可以降低虛擬環(huán)境的建造成本，還能夠親自操作現(xiàn)實(shí)環(huán)境，由于此模式中的部分場(chǎng)景為真實(shí)環(huán)境，因此能夠提升用戶的真實(shí)體驗(yàn).在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)可以在虛擬環(huán)境中展示出真實(shí)物體.

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用分析

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展過程中張中，我國(guó)多數(shù)行業(yè)也開始應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，主要涉及軍事領(lǐng)域，地理測(cè)繪，工業(yè)設(shè)計(jì)，石油開采，娛樂領(lǐng)域等，圖1為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用分類.

3.1 軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著軍事科技的快速發(fā)展，無(wú)人化戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)成為未來發(fā)展趨勢(shì)，此時(shí)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人化戰(zhàn)爭(zhēng).借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維場(chǎng)景建模能力，仿真的環(huán)境和畫面.軍事指揮官能夠借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)感受到親臨陣線感覺，全面掌握雙方作戰(zhàn)的實(shí)際情況.除上述以外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)還能夠有效訓(xùn)練高科技單兵，開發(fā)高科技武器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)協(xié)同作戰(zhàn)等功能.如圖4所示：

3.2 地理測(cè)繪

人類在進(jìn)入智能化和數(shù)字化時(shí)代之后，就越發(fā)凸顯出數(shù)字地理系統(tǒng)的重要性，因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字地理測(cè)繪當(dāng)中的應(yīng)用也逐漸發(fā)揮出重要作用.通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的多感知通道編輯與三維場(chǎng)景模擬功能，能夠形成較高真實(shí)度的三維地形仿真圖像，全面反映出地理信息狀態(tài)以及細(xì)節(jié)內(nèi)容等.

3.3 工業(yè)設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要是建立在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的技術(shù)，設(shè)計(jì)人員能夠利用計(jì)算機(jī)平臺(tái)對(duì)成型工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行模擬，還能夠測(cè)試工業(yè)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能和功能.此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還能應(yīng)用在產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域，防止出現(xiàn)制造出無(wú)數(shù)樣品的浪費(fèi)情況，在該種強(qiáng)大平臺(tái)上能夠模擬出真實(shí)產(chǎn)品，并且深入研究和分析產(chǎn)品，全面檢查產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能和不足，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)上進(jìn)行更新和升級(jí)，這樣能夠有效提升生產(chǎn)力與工業(yè)效率.如圖5所示，可以將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在器具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模擬上.

3.4 石油領(lǐng)域應(yīng)用

在石油領(lǐng)域應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠展現(xiàn)出該項(xiàng)技術(shù)的特征，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在油儲(chǔ)藏量模擬，地震勘測(cè)以及特殊工種培訓(xùn)等.隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的深入發(fā)展，石油行業(yè)人員能夠借助該種技術(shù)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)危險(xiǎn)性較高的作業(yè).

地震資料解釋屬于復(fù)雜工作，因此對(duì)于相關(guān)人員具有較高要求，必須深入了解和掌握地質(zhì)資料，具備地球地理知識(shí)等，還要求其具備想象力.因此在該領(lǐng)域中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，資料解釋人員不需要再死記枯燥單維數(shù)字，可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)面多地下構(gòu)造的三維透視圖像，并且使用數(shù)據(jù)手臺(tái)對(duì)虛擬對(duì)象進(jìn)行操作，從不同路線和方向進(jìn)入到構(gòu)造內(nèi)部進(jìn)行探索.在油藏模擬輸出數(shù)據(jù)之后，建立三維地質(zhì)模型，這樣能夠確保模擬運(yùn)算的結(jié)果具有較高的真實(shí)性，有利于數(shù)據(jù)交互，還能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行全面分析和應(yīng)用.在特殊工種培訓(xùn)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠確保操作人員的人身安全，確保培訓(xùn)效果.

3.5 娛樂領(lǐng)域

三維游戲中已經(jīng)廣泛應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)，隨著網(wǎng)絡(luò)游戲的發(fā)展也在較大程度上促進(jìn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展.當(dāng)前，電子游戲逐漸從二維單機(jī)游戲逐漸發(fā)展為二維網(wǎng)絡(luò)游戲，現(xiàn)已全面進(jìn)入三維網(wǎng)絡(luò)游戲.在游戲領(lǐng)域中，人們追求靈活的人機(jī)交互方式，確保玩家具有較高的投入感和真實(shí)體驗(yàn)，從以上分析可以看出，游戲在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)上的發(fā)展具有顯著作用.圖6是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在某射擊游戲中的應(yīng)用.

3.6 虛擬旅游領(lǐng)域

實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬旅游系統(tǒng)涉及三方面的技術(shù)：一是利用Web GIS的電子地圖支持功能實(shí)現(xiàn)地圖的生成、管理、顯示和網(wǎng)絡(luò)共享;二是利用基于實(shí)景圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成全景圖像三是利用Java applet與WEBGIS相結(jié)合完成全景圖像的網(wǎng)絡(luò)漫游，再輔以友好的用戶界面，使用戶能以真實(shí)的感覺“進(jìn)入”地圖觀賞美景

3.6.1 基于Web GIS的空間景觀支撐體系

基于Internet/ Intranet的Web GIS是GIS技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì).Web GIS可以簡(jiǎn)單定義為在Web上的GIS.考慮到虛擬旅游的需求，筆者以基于Web GIS結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電子地圖庫(kù)的動(dòng)態(tài)服務(wù)，由應(yīng)用服務(wù)器完成電子地圖與空間景觀的空間關(guān)聯(lián)，由Web服務(wù)器應(yīng)答Client端的請(qǐng)求.基于Web GIS的空間景觀支撐體系.如圖7所示：

3.6.2 全景圖像的生成

比如站在天安門廣場(chǎng)，用相機(jī)對(duì)六個(gè)方向（上、下、左、右、前、后）共拍攝六張照片，經(jīng)過程序處理，“縫合（Stitch）”成1張大圖像.計(jì)算機(jī)可以從這張大圖像里產(chǎn)生任意方向、走近、走遠(yuǎn)的圖像，從而使用戶有身臨其境之感生成全圖像的關(guān)鍵點(diǎn)是尋找相鄰圖像的重合部分并剔除之，通過手工拼接和自動(dòng)拼接來實(shí)現(xiàn).手工拼接由肉眼觀察和鼠標(biāo)拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)，重合部分透明顯示，使用戶可以方便地進(jìn)行定位;自動(dòng)拼接的約束條件是圖像的重合區(qū)域光強(qiáng)差為零.事實(shí)上，由于噪聲的影響，圖像之間重合部分的光強(qiáng)差是不可能為零的，只能無(wú)限地逼近零，通常的辦法是選擇最接近零的情況確定重合部分后，需要把有重疊部分的輸入圖像縫合成一幅無(wú)縫的全景圖，用于拼接的圖像是用照相機(jī)繞Y軸旋轉(zhuǎn)拍攝得到的.拼接程序采用圖像校準(zhǔn)（Regulation）算法來匹配和融合相鄰的圖像.

3.6.3 基于Java Applet的虛擬景觀漫游

Web應(yīng)用開發(fā)中，無(wú)論采用CGI、Web API、Activex技術(shù)，還是ASP技術(shù)，對(duì)服務(wù)器的要求都較高，由于用戶發(fā)出的所有指令最終都由Server來完成，用戶端實(shí)際上是起了一個(gè)圖形終端的作用，致使服務(wù)器端負(fù)擔(dān)過重，要求服務(wù)器端的硬件速度快，內(nèi)存容量大.當(dāng)用戶數(shù)量多時(shí)，容易在服務(wù)器端形成瓶頸，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的效率.

除過上述發(fā)展之外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)還在醫(yī)療行業(yè)，教育行業(yè)，文物保護(hù)以及建筑設(shè)計(jì)方面均具有重要應(yīng)用價(jià)值.隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，其逐步涉及較多行業(yè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為當(dāng)前社會(huì)各界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)話題.隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟發(fā)展，也會(huì)逐漸提升虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)設(shè)備的先進(jìn)性，有效適用于不同技術(shù)領(lǐng)域，開發(fā)出新型硬件設(shè)備和軟件環(huán)境，拉進(jìn)人們與虛擬現(xiàn)實(shí)之間的關(guān)系.

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，盡管當(dāng)前多數(shù)行業(yè)都開始應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，但是該項(xiàng)技術(shù)還屬于正在發(fā)展的新型技術(shù).因此在未來發(fā)展中還應(yīng)當(dāng)注重虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開發(fā)與深入研究，為社會(huì)生產(chǎn)生活帶來較多新型體驗(yàn)方式，充分展現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的魅力.

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