虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

摘要：隨著信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，也越來越重視信息技術(shù)的創(chuàng)新研究和長遠(yuǎn)發(fā)展。而作為信息技術(shù)發(fā)展重要驅(qū)動(dòng)力的\"虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtural Reality）\"技術(shù)，也隨之成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。作為人與計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境進(jìn)行交互作用的一種手段，人們將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)看作是僅次于互聯(lián)網(wǎng)的改變世界未來的重要技術(shù)。虛擬場景漫游技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要分支，由于有可貴的3I特性--沉浸感、交互性和構(gòu)想性，使得沿用固定漫游路徑等手段的其他漫游技術(shù)和系統(tǒng)無法與之相比。構(gòu)建三維模型時(shí)采用3DS MAX三維建模工具和VRML建模語言相結(jié)合來創(chuàng)建虛擬場景。本文簡單介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概況。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；VRML；3DS MAX；三維建模

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 簡稱VR，又稱靈境技術(shù)，是20世紀(jì)90年代以來興起的一種新型信息技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說，就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對(duì)這一生成的虛擬世界中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)融合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感技術(shù)、心理學(xué)、人類工程學(xué)及人工智能的綜合技術(shù)。由于其獨(dú)有的多感知性、沉浸感、交互性及自主性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天、軍事、醫(yī)療，教育甚至游戲領(lǐng)域。VR技術(shù)已經(jīng)被公認(rèn)為是21世紀(jì)重要的發(fā)展學(xué)科以及影響人們生活的重要技術(shù)之一。

對(duì)于人類文化發(fā)展歷史的考察表明，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有悠久的前史。人類不同時(shí)期嘗試超越文字表現(xiàn)力的局限、超越時(shí)間與空間的約束，用形象、色彩和周邊條件來創(chuàng)造虛擬化的信息環(huán)境的努力。18世紀(jì)出現(xiàn)的全景畫，可謂構(gòu)造沉浸式的虛擬體驗(yàn)景象的早期技術(shù)。20世紀(jì)中葉以來，人們進(jìn)一步發(fā)展出全景電影，創(chuàng)建體驗(yàn)劇場以突破銀幕的壁障，然而直到多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)，才真正具有了綜合處理音頻、視頻、圖像、數(shù)據(jù)和文字等多類信息的全面功能。通過利用并集成這種高性能的計(jì)算機(jī)軟硬件并使之與各類先進(jìn)的傳感器相聯(lián)接，人們才有可能創(chuàng)建一個(gè)使參與者具有身臨其境的沉浸感和完善的交互作用能力，并能幫助和啟發(fā)其構(gòu)思的適人化的多維信息空間，即創(chuàng)建一個(gè)比較完備的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。正如Burdea G.在“Virtual Reality Systems and Application”一文中所概括的，這種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本特征可以簡捷地表征為三個(gè)“I”，即沉浸性、交互性和構(gòu)想性（Immersion-Interaction-Imagination）。由于有可貴的3I特性--沉浸性、交互性和構(gòu)想性，使得沿用固定漫游路徑等手段的其他漫游技術(shù)和系統(tǒng)無法與之相比。

沉浸性（Immersion），沉浸被通俗地解釋為“身臨其境”，這意味著參與者將不是以敏銳的雙眼和聰慧的大腦介入虛擬環(huán)境，而是要以完整的生物個(gè)體融入虛擬系統(tǒng)。從這種意義上講，沉浸意味著體驗(yàn)，意味著邏輯與形象的結(jié)合、認(rèn)知與感知的統(tǒng)一。正是這種特點(diǎn)，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為“身體在知識(shí)探求過程中的能動(dòng)作用得以保證的第一個(gè)智能技術(shù)”。

交互性（Interaction），虛擬現(xiàn)實(shí)與通常CAD系統(tǒng)所產(chǎn)生的模型以及傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫是不一樣的，它不是一個(gè)靜態(tài)的世界，而是一個(gè)開放、互動(dòng)的環(huán)境，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境可以通過控制與監(jiān)視裝置影響或被使用者影響，即計(jì)算機(jī)使用者可以通過三維交互設(shè)備直接操縱計(jì)算機(jī)所給出的虛擬世界中的對(duì)象，虛擬世界中的對(duì)象也能夠?qū)崟r(shí)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，是用戶對(duì)虛擬環(huán)境中的物體的可操作程度，對(duì)虛擬環(huán)境中得到的反饋的自然程度和對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行重新布置的方式。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中參與者與虛擬環(huán)境之間的交互作用，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的人機(jī)關(guān)系具有了新的涵義。

構(gòu)想性（Imagination），構(gòu)想特性說明了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以構(gòu)造出那些現(xiàn)實(shí)中不存在或不易觀察到而只出現(xiàn)在人們想象中的情景。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中人與虛擬環(huán)境的交互作用，在本質(zhì)上意味著它不是預(yù)成性的而是生成性的，不是因循的而是創(chuàng)造的，“構(gòu)想性”所要表達(dá)的正是該技術(shù)的這一稟性。如果說沉浸性是使人具有真實(shí)感并獲得體驗(yàn)的根本，交互性是實(shí)現(xiàn)人機(jī)和諧的關(guān)鍵，那么，構(gòu)想性則是輔助人類進(jìn)行創(chuàng)造性思維的基礎(chǔ)。

1965年，美國人艾凡·薩瑟蘭，在篇名為《終極的顯示》的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本思想，后來被公認(rèn)為在虛擬環(huán)境領(lǐng)域中起著里程碑的作用。

80年代，美國的杰倫正式提出了“Virtual Reality\"一詞。美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，并取得了令人矚目的研究成果，從而引起了人們對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛關(guān)注。

進(jìn)入90年代，迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)與不斷改進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)相匹配，使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)畫制作成為可能；人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新，新穎、實(shí)用的輸入輸出設(shè)備不斷地進(jìn)入市場。人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也在不斷創(chuàng)新，而這些都為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。其中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)波音777獲得成功，是近幾年來又一件引起科技界矚目的偉大成果。人們對(duì)迅速發(fā)展中的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的廣闊應(yīng)用前景充滿了憧憬與興趣。

VRML是描述虛擬環(huán)境中場景的一種標(biāo)準(zhǔn)，利用他可以在INTERNET建立交互式的三維多媒體的境界。VRML的基本特征包括分布式，交互式，平臺(tái)無關(guān)，三維，多 媒體集成，逼真自然等，被成為\"第二代WEB\"，其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，包括科學(xué) 研究，教學(xué)，工程，建筑，商業(yè)，娛樂，廣告，電子商務(wù)等，已經(jīng)被越來越多的 人們所重視，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織1998年1月正式將其批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)。

VRML是一種建模語言，其基本目標(biāo)是建立Internet上的交互式三維多媒體，也就是說，它是用來描述三維物體及其行為的，可以構(gòu)建虛擬境界（Virtual）World其基本特征包括分布式、三維、交互性、多媒體集成、境界逼真性等。VRML的出現(xiàn)使虛擬現(xiàn)實(shí)像多媒體和Internet一樣逐漸走進(jìn)我們的生活。簡單地說，以VRML為基礎(chǔ)的第二代WWW=多媒體＋虛擬現(xiàn)實(shí)＋I(xiàn)nternet。

熟悉WWW的人們都知道，受HTML語言的局限性，VRML之前的網(wǎng)頁只能是簡單的平面結(jié)構(gòu)，就算Java語言能夠?yàn)閃WW增色不少，但也僅僅停留在平面設(shè)計(jì)階段，而且實(shí)現(xiàn)環(huán)境與參與者的動(dòng)態(tài)交互是非常煩瑣的。于是，VRML就應(yīng)運(yùn)而生了。第一代Web是以HTML為核心的二維瀏覽技術(shù)，第二代Web是以VRML為核心的三維瀏覽技術(shù)。第二代Web把VRML與HTML、Java、媒體信息流等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，形成一種新的三維超媒體Web。

第一代WWW是一種訪問文檔的媒體，能夠提供閱讀的感受，使那些對(duì)Windows風(fēng)格熟悉的人們?nèi)菀资褂肐nternet，而以VRML為核心的第二代WWW將使用戶如身處真實(shí)世界，在一個(gè)三維環(huán)境里隨意探尋Internet上無比豐富的巨大信息資源。每個(gè)人都可以從不同的路線進(jìn)入虛擬世界，與虛擬物體交互，這樣，控制感受的就不再是計(jì)算機(jī)，而是用戶自己，人們可以以習(xí)慣的自然方式訪問各種場所，在虛擬社區(qū)中\(zhòng)"直接\"交談和交往。Parsons大學(xué)數(shù)字設(shè)計(jì)系A(chǔ)nthony Dee的一段話代表了廣大VRML愛好者的心情：\"把三維沉浸式虛擬環(huán)境放進(jìn)WWW上是如此誘人，沒有人不想試一試\"。更重要的是，雖然創(chuàng)建復(fù)雜境界需要對(duì)VRML深入掌握，而且往往還需要?jiǎng)?chuàng)作軟件的幫助和其他軟件的協(xié)助，但\"學(xué)習(xí)VRML只需要有限的空間感和具有操作文本編輯器的能力，創(chuàng)建VRML境界最重要的技巧是想象力\"，這是VRML得以迅速發(fā)展的根本原因。

VRML的出現(xiàn)使得虛擬現(xiàn)實(shí)像多媒體和因特網(wǎng)一樣逐漸走進(jìn)我們的生活，簡單地說，以VRML為基礎(chǔ)的第二代萬維網(wǎng)=多媒體+虛擬現(xiàn)實(shí)+因特網(wǎng)。第一代萬維網(wǎng)是一種訪問文檔的媒體，能夠提供閱讀的感受，使那些對(duì)Windows風(fēng)格的PC環(huán)境熟悉的人們?nèi)菀资褂靡蛱鼐W(wǎng)，而以VRML為核心的第二代萬維網(wǎng)將使用戶如身處真實(shí)世界，在一個(gè)三維環(huán)境里隨意探究因特網(wǎng)上無比豐富的巨大信息資源。每個(gè)人都可以從不同的路線進(jìn)入虛擬世界，和虛擬物體交互，這樣控制感受的就不再是計(jì)算機(jī)，而是用戶自己，人們可以以習(xí)慣的自然方式訪問各種場所，在虛擬社區(qū)中\(zhòng)"直接\"交談和交往。

VRML的設(shè)計(jì)是從在WEB上欣賞實(shí)時(shí)3D圖像開始的。VRML瀏覽器既是插件，又是幫助應(yīng)用程序，還是獨(dú)立運(yùn)行的應(yīng)用程序，它是傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)中同樣也使用的實(shí)時(shí)3D著色引擎。這使得VRML應(yīng)用從三維建模和動(dòng)畫應(yīng)用中分離出來，在三維建模和動(dòng)畫應(yīng)用中可以預(yù)先對(duì)前方場景進(jìn)行著色，但是沒有選擇方向的自由。VRML提供了6+1度的自由，用戶可以沿著三個(gè)方向移動(dòng)，也可以沿著三個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)還可以建立與其它3D空間的超鏈接。因此VRML是超空間的。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國內(nèi)外迅速崛起并快速發(fā)展，現(xiàn)在，國內(nèi)不少高校也已經(jīng)開始虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究工作，虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)的研究和運(yùn)用是其中的一個(gè)方面。探討如何通過三維建模與VRML技術(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)快速簡捷地建立簡單模型的方法。虛擬建筑模型場景漫游系統(tǒng)是虛擬建筑場景建立技術(shù)和虛擬漫游技術(shù)的結(jié)合。前者是基礎(chǔ)，后者是系統(tǒng)運(yùn)行方法。因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)，所以它可以滲透到我們工作和生活的每個(gè)角落。

參考文獻(xiàn)

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(作者單位:浙江理工大學(xué) 信息電子學(xué)院)