基于虛擬現(xiàn)實的互動普適計算研究

摘要：普適計算與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的融合是今天普適計算的一個新領(lǐng)域，是對虛擬空間計算力的提升，更是普適計算中“普適”的體現(xiàn)。本文討論并給出了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的互動普適計算的概念、特性和關(guān)鍵技術(shù)，為其實現(xiàn)提供理論探索和論證。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；普適計算；真實環(huán)境；虛擬環(huán)境

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)09-11703-02

Research on Interactive Virtual Reality Ubiquitous/Pervasive Computing

WANG Hao-peng1， LIU Wang-sheng2

(1. Department of Computer， Aviation University of Air Force， Changchun 130022， China; 2. Department of Science Research， Aviation University of Air Force， Changchun 130022， China)

Abstract: Fusion of Pervasive Computing/Ubiquitous Computing and Virtual Reality technology is an new field today. It will develop computing force of virtual space， and realize the \"Pervasive\" fully. The paper discussed and presented the basic definitions， features and key technologies of interactive Pervasive Computing/Ubiquitous Computing based on Virtual Reality， and explore the methods in theory.

Key words: Virtual Reality; Ubiquitous Computing/Pervasive Computing; Real Environment; Virtual Environment

1 引言

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR），也稱靈境技術(shù)，人工環(huán)境或賽博空間，最初于20世紀80年代由美國國際計算機科學(xué)院高級研究科學(xué)家Jaron Lanier提出。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用計算機系統(tǒng)、多種虛擬現(xiàn)實專用設(shè)備和軟件構(gòu)成的一種虛擬環(huán)境，實現(xiàn)人與虛擬環(huán)境直接進行自然交互和溝通的技術(shù)。人在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中可以獲得與在自然環(huán)境中相同的感受，真實體驗視覺、聽覺、觸覺及智能感知的直觀、自然的效果。21世紀初，虛擬現(xiàn)實技術(shù)處于多元化的迅猛發(fā)展時期。一方面，借助計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等得到高速發(fā)展；另一方面，與專業(yè)技術(shù)（如數(shù)字地球、虛擬機械裝配、軍事與航空航天、農(nóng)業(yè)與專家系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)應(yīng)用等）的融合，使虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到更廣泛應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要體現(xiàn)3I特性，即沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）。按照模式分為沉浸式、分布式、桌面式和純軟件模式四類。虛擬現(xiàn)實動態(tài)感知設(shè)備主要有：三維立體眼鏡（Stereo Glass）、頭盔式顯示器（HMD）、數(shù)據(jù)手套（Data Glove）、數(shù)據(jù)衣（Data Suit）、跟蹤設(shè)備（Tracking Equipment）、空間球（Space Ball）、3D立體耳機（3D Earphone）、3D掃描儀（3D Scanner）和3D投影儀（3D Projector）等。

普適計算（Ubiquitous Computing或Pervasive Computing，簡稱UbiComp或PerComp）是1991年由美國Xerox PAPC實驗室科學(xué)家Mark Weiser首次提出的，是指將物理空間與信息空間完全融合的一種全新計算模式。普適計算的研究主要致力于普適計算的理論建模，自然人機交互，無縫的應(yīng)用遷移和上下文感知。近幾年來，普適計算研究方向為多尺度的復(fù)雜空間智能空間，大規(guī)模個人數(shù)字化存儲，射頻標簽上下文感知，智能終端載體以及自然和諧的人機交互等。

普適計算與虛擬現(xiàn)實技術(shù)不同。普適計算力求將信息緊密集成于物理空間中，從而增強信息在物理空間中的可用性；虛擬現(xiàn)實技術(shù)則致力于把人置于計算機所創(chuàng)造的虛擬空間中。盡管兩者出發(fā)點不同，但是也有許多共同的目標和融合意義。例如，最大化人的計算能力等。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與普適計算的融合，即基于虛擬現(xiàn)實的普適計算（Virtual Reality with UbiComp，簡稱U-VR）將有效增強虛擬空間的計算能力和普適計算的廣泛應(yīng)用能力。文本將依據(jù)此研究內(nèi)容討論并給出U-VR的有效融合和實現(xiàn)方法。

2 U-VR論證

2.1 U-VR定義

U-VR被定義為突破虛擬環(huán)境（Virtual Environment，簡稱VE）的局限，增強人在真實環(huán)境（Real Environment，簡稱RE）中的計算能力，通過VE和RE的無縫連接，來替代純粹的VE。簡言之，U-VR是將VR融入真實環(huán)境中，成為可以無所不在地獲取強大計算服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施。

2.2 U-VR特性

2.2.1 協(xié)同性（Collaborative）

U-VR的協(xié)同性是運用多種信息和資源獲取用戶意圖。U-VR可以通過常規(guī)設(shè)備現(xiàn)實多用戶的協(xié)作。因此，U-VR的協(xié)同性的根本是一個用戶和服務(wù)交織的智能、合作空間。

2.2.2 可佩戴感知性（Attentive）

首先，在U-VR中，用戶通過可佩戴設(shè)備在任何時間和地點獲取針對個人的計算服務(wù)；其次，在U-VR中，用戶可以通過相關(guān)接口和所關(guān)注的智能對象交互。

2.2.3 協(xié)調(diào)性（Mediated）

協(xié)調(diào)性是指U-VR可以根據(jù)用戶和環(huán)境的上下文關(guān)系進行選擇性的協(xié)調(diào)。協(xié)調(diào)內(nèi)容則需要上下文感知技術(shù)的支撐。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 資源和內(nèi)容共享

為運用和共享資源信息，需要解決以下幾個關(guān)鍵的技術(shù)問題：

（1）構(gòu)造公共空間并獲取存在于空間中的目標信息。這一技術(shù)需要上下文感知技術(shù)和知識挖掘技術(shù)的輔助；

（2）用戶意圖的理解和公共空間的構(gòu)件技術(shù)；

（3）基于網(wǎng)絡(luò)的用戶群、服務(wù)和資源需求的構(gòu)建。

此外，要實現(xiàn)資源和內(nèi)容共享，U-VR網(wǎng)格、實時VR處理、分布式資源共享和虛擬對象操控技術(shù)都是必要的支撐技術(shù)。

3.2 基于用戶關(guān)注的個人信息和應(yīng)用接口

3.2.1 RE和VE的無縫連接

U-VR環(huán)境中，遷移性的增強使用戶通過可佩戴設(shè)備更好地享用個性化服務(wù)。而且，為使用戶有效使用可佩戴設(shè)備，友好的用戶界面十分重要。理論上，用戶界面對于用戶來說是透明的，這樣才可以更好地幫助用戶關(guān)注其應(yīng)關(guān)注的操控。為實現(xiàn)U-VR感知性，必須考慮為用戶提供易操作的人機接口，使用戶順利獲取相關(guān)服務(wù)。上下文感知增強技術(shù)則可以使RE增強智能性和真實感。因此，RE中的智能和VE中虛擬信息的無縫連接是關(guān)鍵所在。

3.2.2 VRML和X3D

從與硬件無關(guān)的角度來看，X3D和VRML是基于虛擬現(xiàn)實的人機界面設(shè)計的重要工具。

VRML（Virtual Reality Modeling Language），即虛擬現(xiàn)實建模語言于1994年第一屆WWW大會上由BOF小組首次提出，是無VR硬件設(shè)備和接口的前提下，利用計算機、網(wǎng)絡(luò)進行三維場景及對象仿真造型的虛擬現(xiàn)實建模語言。VRML使用場景圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立3D實境，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以SCI（Silicon Graphics Incorporated）開發(fā)的Open Inventor 3D工具包為基礎(chǔ)的一種數(shù)據(jù)格式，從而使VRML具有分布性、交互性、多媒體集成性和境界逼真性等優(yōu)勢。

X3D（Extensible 3D）是由Wed3D聯(lián)盟于1998年提出的，它使用可擴展標識語言XML（Extensible Markup Language）表達對VRML幾何造型和實體行為的描述能力。X3D是三維圖形規(guī)范的一次重大變革。相對于VRML，X3D具有更先進的應(yīng)用程序界面、優(yōu)化的數(shù)據(jù)編碼格式、嚴格的組件化結(jié)構(gòu)，并且X3D的硬件無關(guān)性使其廣泛應(yīng)用于科學(xué)可視化、航空航天模擬、虛擬戰(zhàn)場、多媒體增強、共享虛擬空間等領(lǐng)域。可見，VRML和X3D的應(yīng)用和開發(fā)，為實現(xiàn)U-VR的用戶接口提供良好的構(gòu)建空間。

3.3 可協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)框架

為使用戶和信息最大化地融合在一起，需要在普適計算和虛擬現(xiàn)實之間建立一個無形的“橋”，即U-VR的基礎(chǔ)框架。這個“橋”是一個統(tǒng)一的標準，并針對用戶和信息通過各種傳感器進行交互進行有效支撐、擴展和協(xié)調(diào)，所以建立的基礎(chǔ)框架之間必須保證相互匹配。

4 結(jié)束語

普適計算需要與之適應(yīng)的全新人機交互模式，其中的可佩戴計算設(shè)備、多感知人機接口等又是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要組成。從普適計算與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用趨勢看，兩者的融合是未來計算機在人類社會中的重要體現(xiàn)形式，是借助計算機實現(xiàn)人在真實空間和虛擬空間自然交互的關(guān)鍵所在。

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