虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

摘要：該文在對虛擬現(xiàn)實概念分析的基礎(chǔ)上，給出了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成和應(yīng)用領(lǐng)域，并對其發(fā)展趨勢進行了展望。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；建模；交互方式

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)25-1577-02

The Application and Development of Virtual Reality

TAN Ying-jun1， LI Cui-xia2

(1.Henan PolyTechnic College， Zhengzhou 450046， China; 2.Zhengzhou University， Zhengzhou 450002， China）

Abstract: This paper analyzes the conception of virtual reality. Furthermore， this paper provides not only the component but also the application fields of the virtual reality system. We also discuss the development directions of virtual reality.

Key words: virtual reality; modeling; interaction manner

1 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是計算機技術(shù)領(lǐng)域的一門新技術(shù)，該技術(shù)綜合多種學(xué)科，涉及眾多研究和應(yīng)用領(lǐng)域，被認為是21世紀重要的發(fā)展學(xué)科以及影響人們生活的重要技術(shù)之一。

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)，又稱靈境，是在信息科學(xué)的飛速發(fā)展中誕生的。可以從多個角度來理解虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的概念。從虛擬現(xiàn)實的發(fā)展史來看，在最初階段，虛擬現(xiàn)實的定義比較狹小。它專指一種高端的人機接口，包括視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等多種感覺通道的實時模擬和實時交互。很多新聞媒體常常把虛擬現(xiàn)實和頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備聯(lián)系在一起，就是基于這種狹義的理解。當然，這些人機交互設(shè)備是虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中最常見的設(shè)備。但是，如果我們僅從這個層面上理解虛擬現(xiàn)實的意義就太狹隘了，因為虛擬現(xiàn)實的設(shè)備也在不斷進步，用某種設(shè)備代表虛擬現(xiàn)實是片面的。

更廣義的理解是從功能角度出發(fā)，將虛擬現(xiàn)實看作是通過計算機圖形學(xué)等技術(shù)構(gòu)造逼真的虛擬環(huán)境，在這個環(huán)境中，人們的視覺、聽覺和觸覺等的感受像是在真實的環(huán)境中一樣，即有“身臨其境”的感覺，人們通過和諧自然的人機交互界面，可以沉浸在環(huán)境中，與之進行實時、自然地交互。因此，虛擬現(xiàn)實不僅僅包含人機界面，還是一切與構(gòu)造虛擬環(huán)境相關(guān)的理論技術(shù)和實踐活動，甚至包括了對參與者“人”的重視[1]。

傳統(tǒng)的信息處理環(huán)境一直是“人適應(yīng)計算機”，而當今的目標或理念是要逐步使“計算機適應(yīng)人”，人們要求通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺，以及形體、手勢或口令，參與到信息處理的環(huán)境中去，從而取得身臨其境的體驗。這種信息處理系統(tǒng)已不再是建立在單維的數(shù)字化空間上，而是建立在一個多維的信息空間中。虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是支撐這個多維信息空間的關(guān)鍵技術(shù)。從概念上講，它是利用計算機和其它的專用軟件和硬件去產(chǎn)生另一種虛擬環(huán)境的仿真。參與者可以通過感覺與這一虛幻環(huán)境的內(nèi)容產(chǎn)生交互作用。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有以下三個主要特征：(1) 沉浸感(Immersion)，是指利用計算機產(chǎn)生的三維立體圖像，讓人置身于一種虛擬環(huán)境中，就像在真實的客觀世界中一樣，能給人一種身臨其境的感覺；(2) 交互性(Interaction)，在計算機生成的這種虛擬環(huán)境中，人們可以利用一些傳感設(shè)備進行交互，感覺就像是在真實客觀世界中一樣，比如；當用戶用手去抓取虛擬環(huán)境中的物體時，手就有握東西的感覺，而且可感覺到物體的重量；(3) 想象(Imagination)，虛擬環(huán)境可使用戶沉浸其中并且獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而使用戶深化概念和萌發(fā)新的聯(lián)想，因而可以說，虛擬現(xiàn)實可以啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維。

人們研究虛擬現(xiàn)實的目的是創(chuàng)建逼真的虛擬環(huán)境。這種虛擬環(huán)境不僅具有數(shù)字化表示，還可以進行演算，而且是“看”得見，“摸”得著，可以“感受”和操作的。因為在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，既可以使用計算機信息處理技術(shù)和相應(yīng)裝備，將真實世界中的對象和事件轉(zhuǎn)換為數(shù)字化表示，也可以將數(shù)字化內(nèi)容轉(zhuǎn)換為人類可以感知的視覺、觸覺，乃至力覺。

2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成

從對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的描述和其特性的理解中，可以歸納出虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的五個基本組成部分：建模軟件和世界模型數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實引擎、I/O設(shè)備（人機交互界面）、人以及應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過引擎讀取模型數(shù)據(jù)，通過計算機圖形學(xué)技術(shù)繪制出虛擬的世界，并通過I/O接口的顯示設(shè)備展現(xiàn)在用戶眼前，用戶通過I/O接口的交互設(shè)備和虛擬世界進行信息交換，構(gòu)成多種不同的應(yīng)用，如虛擬訓(xùn)練、虛擬軍事演習(xí)、虛擬外科手術(shù)或虛擬的城市規(guī)劃等等。

2.1 建模軟件和世界模型數(shù)據(jù)

在建立虛擬世界的計算機表示時，需要對虛擬世界中的對象進行建模，包括對對象的形狀、外觀、運動學(xué)約束、智能行為和物理特性等多個方面進行定量描述。AutoCAD、3DMax和三維數(shù)字掃描儀等都是常用的幾何建模工具。物理建模和行為建模會給虛擬世界的模型帶來更強的真實感。物理建模所需的計算被分派到觸覺繪制流水線中處理，包括碰撞檢測、受力計算、力平滑、力映射和觸覺紋理等階段計算。其中，力的平滑和映射的基礎(chǔ)是建立觸點網(wǎng)格模型，商用力反饋手套通常需要精細的觸覺建模。

2.2 I/O設(shè)備

交互性是虛擬現(xiàn)實3I特性之一。體現(xiàn)這一特點的就是I/O設(shè)備中的輸入設(shè)備，主要包括定位、漫游和手勢輸入，需要使用跟蹤器（Tracker）和數(shù)據(jù)手套（DataGrove）等硬件設(shè)備。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，用于三維對象位置和方向?qū)崟r變化測量的專門硬件設(shè)備稱為跟蹤器。從被跟蹤對象的角度出發(fā)，可以將跟蹤器分為對頭部狀態(tài)的跟蹤和對身體姿態(tài)或四肢運動的跟蹤。跟蹤器技術(shù)有多種多樣，有基于機械慣性系統(tǒng)的、有基于電磁系統(tǒng)的、有采用光學(xué)原理設(shè)計的、也有基于超聲理論的，還有各種技術(shù)混合使用的。

2.3 引擎

虛擬現(xiàn)實引擎是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心。它從輸入設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)，訪問與應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，執(zhí)行應(yīng)用任務(wù)要求的實時計算，實時更新虛擬世界的狀態(tài)，并把結(jié)果反饋給輸出顯示設(shè)備。根據(jù)要解決的問題范圍的大小，虛擬現(xiàn)實引擎的能力設(shè)計也略有不同。繪制引擎是基本組成部分，它在整個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的地位好比是在汽車中發(fā)動機的地位。繪制引擎的衡量標準在于繪制質(zhì)量和效率，快速低延遲的圖形繪制流水線是虛擬現(xiàn)實引擎帶給用戶真實體驗的保證。另外，如前所述，觸覺流水線和聲音處理模塊也是需要考慮的部分。

在體系結(jié)構(gòu)上，日益復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境需要模擬規(guī)模更大、更復(fù)雜的虛擬世界。支持多流水線的分布式虛擬現(xiàn)實引擎是必然趨勢。分布式引擎要解決流水線數(shù)據(jù)和操作的同步問題，以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)高速交換問題，同時使用PC集群代替工作站分散計算是目前性價比較高的做法。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要應(yīng)用于以下三個領(lǐng)域：

3.1 訓(xùn)練與演練

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對真實世界進行建模生成虛擬環(huán)境、代替真實的訓(xùn)練環(huán)境。操作人員可以在虛擬環(huán)境中，反復(fù)進行操作訓(xùn)練和協(xié)同工作。這樣就能達到在真實環(huán)境中訓(xùn)練的效果，從而極大地節(jié)省了在真實環(huán)境中演練的各種開銷。因此，訓(xùn)練和演練成為虛擬現(xiàn)實技術(shù)中較為重要的一個應(yīng)用方向。在軍事領(lǐng)域，美國屬于較早使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行各種武器模擬器的研制，并借助這些武器的模擬器對士兵進行操作技能訓(xùn)練的國家。1983年，美國軍方構(gòu)建了SIMNET(SIMulation NETworking)，將模擬器進行互聯(lián)，用以完成戰(zhàn)術(shù)級協(xié)同訓(xùn)練；1998年構(gòu)建的STOW（Synthetic Theater of War）高級概念演示系統(tǒng)，利用真實地形數(shù)據(jù)構(gòu)建了虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，并且不同軍兵種的武器平臺都可以參與其中，進行多兵種的協(xié)同對抗與演練。在航空航天領(lǐng)域，美國約翰遜航天中心從20世紀90年代開始使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對“哈勃”望遠鏡進行遠程維護的訓(xùn)練[2]。通過虛擬設(shè)備操作訓(xùn)練，大大提高了航天員的操作水平。在公共安全領(lǐng)域，人們也利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建了一些典型的應(yīng)用系統(tǒng)。例如，加拿大偏光多媒體（Straylight Multimedia）公司的應(yīng)急仿真規(guī)劃系統(tǒng)（the emergency simulation program， ESP）[3]和E-Semble公司的Diabolo VR系統(tǒng)[4]。在醫(yī)學(xué)方面，從20世紀80年代末90年代初起，虛擬現(xiàn)實技術(shù)開始應(yīng)用于虛擬手術(shù)仿真訓(xùn)練。典型的系統(tǒng)有瑞典心智（Mentice）公司研制的Prodedicus MIST系統(tǒng)、外科科學(xué)（Surgical Science）公司開發(fā)的LapSim系統(tǒng)、德國卡爾斯魯厄研究中心開發(fā)的Select IT VEST System系統(tǒng)等。

3.2 規(guī)劃設(shè)計與預(yù)測

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以對現(xiàn)實中尚不存在的對象和現(xiàn)象進行模擬，從而在規(guī)劃和設(shè)計中達到預(yù)測的目的。在這方面，較為成功的應(yīng)用主要集中在工業(yè)設(shè)計、城市規(guī)劃和大型活動開閉幕式仿真等領(lǐng)域。

工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中最典型的例子是美國波音公司利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助波音777客機的設(shè)計。歐洲也一直重視虛擬現(xiàn)實及其在工業(yè)設(shè)計應(yīng)用等方面的研究。典型的項目有2003年底完成的VIEW（Virtual and Interactive Environments for the Workplaces of the Future）計劃。VIEW對于虛擬環(huán)境的應(yīng)用發(fā)展提供了策略和指導(dǎo)，提出了可移動、便攜式和沉浸的虛擬環(huán)境的概念[5]。

城市規(guī)劃領(lǐng)域的典型應(yīng)用包括城市景觀仿真、城市規(guī)劃設(shè)計方案展現(xiàn)等方面。在大型活動開閉幕式仿真方面，最典型的應(yīng)用是在2004年雅典奧運會籌辦過程中，使用虛擬現(xiàn)實手段進行煙火創(chuàng)意視覺效果模擬和空中效果的創(chuàng)意設(shè)計動畫展示。

3.3 觀賞和娛樂方面

借助虛擬現(xiàn)實的3I特性，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的虛擬環(huán)境還可以滿足人們觀賞和娛樂的需要。在這方面較為典型的應(yīng)用有數(shù)字博物館和游戲等領(lǐng)域。在數(shù)字博物館領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可用于圖書館的文獻、手稿、照片、錄音、影片和博物館的藏品等文物的數(shù)字化保護。典型應(yīng)用包括紐約大都會博物館、大英博物館、俄羅斯冬宮博物館和法國盧浮宮等。

在游戲領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為游戲提供實時、逼真、高精度的三維虛擬場景，支持網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多用戶的主動和協(xié)同參與，并借助高精度交互感應(yīng)設(shè)備進一步增強游戲的適人化交互。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展趨勢

基于以上介紹，虛擬現(xiàn)實在很多領(lǐng)域和應(yīng)用方向上解決了不少實際問題，取得了較好的應(yīng)用效果。但是隨著應(yīng)用的不斷深入，在建模與繪制方法、交互方式和系統(tǒng)構(gòu)建方法等方面，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)都提出了更高的需求。為了滿足這些新需求，近年來，虛擬現(xiàn)實相關(guān)技術(shù)研究也取得了快速發(fā)展，表現(xiàn)出一些新的特點和發(fā)展趨勢。主要表現(xiàn)在以下方面：

1) 計算平臺的普適化：隨著計算機制造技術(shù)的發(fā)展，計算平臺已經(jīng)發(fā)展為多種類型。虛擬現(xiàn)實的研究工作主要集中在標準與產(chǎn)品、繪制體系結(jié)構(gòu)和適合移動設(shè)備的模型表示和繪制方面；

2) 虛實場景的融合化：在很多應(yīng)用中，基于真實環(huán)境的模擬與訓(xùn)練仍然是不可缺少的手段。將虛擬環(huán)境與真實環(huán)境有效地結(jié)合，使用人員就可以從視覺和觸覺等多方位感受混合后的環(huán)境，更好地獲得體驗效果。因此，構(gòu)建一種虛實融合的混合環(huán)境是應(yīng)用中的一個重要需求；

3) 場景數(shù)據(jù)的規(guī)模化：在大型應(yīng)用中，各種幾何模型的數(shù)據(jù)量往往非常龐大。針對包含這種大數(shù)據(jù)量三維模型復(fù)雜場景的實時與逼真表現(xiàn)，是目前研究繪制方法的一個熱點；

4) 環(huán)境信息的綜合化：對于自然環(huán)境的建模，傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)往往僅考慮地形的幾何數(shù)據(jù)，對大氣和電磁等環(huán)境信息采，用簡化方式處理，如紋理等表現(xiàn)方法。為了更真實地表現(xiàn)環(huán)境效果，還需要考慮不同類型的數(shù)據(jù)，如地理、大氣、海洋、空間電磁和生化等，并使用不同的方式進行表現(xiàn)。

人機交互的適人化：雖然頭盔和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備能夠增強沉浸感，但在實際應(yīng)用中，它們的效果并不好，并未達到沉浸交互的目的。采用人類最為自然的視覺、聽覺、觸覺和自然語言等作為交互的方式，會有效地提高虛擬現(xiàn)實的交互性效果；

傳輸協(xié)議的標準化：隨著分布式虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的不斷發(fā)展，為實現(xiàn)節(jié)點間的相互操作，需要不同地域的系統(tǒng)可以進行互聯(lián)，并構(gòu)建一致的虛擬環(huán)境。因此為了實現(xiàn)異構(gòu)節(jié)點互聯(lián)互通的傳輸協(xié)議及其標準化成為分布式虛擬現(xiàn)實的重要保證；

領(lǐng)域模型的集成化 為了滿足分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的需求，要結(jié)合軟件設(shè)計方法來研究虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)方法，使之能夠快速配置和生成系統(tǒng)，同時減少開發(fā)與維護的工作量[6]。

5 結(jié)束語

雖然虛擬現(xiàn)實技術(shù)在應(yīng)用中取得了一定的效果，在關(guān)鍵技術(shù)方面也取得了較大的進展，并且不斷解決應(yīng)用中新出現(xiàn)的實際問題，但是從國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實的研究現(xiàn)狀和趨勢上分析，該領(lǐng)域仍然存在一些亟待解決的研究問題，其中包括虛擬環(huán)境及對象建模、繪制方法、人機交互方式、虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建方法等諸多方面。

參考文獻：

[1] 汪成為， 高文. 靈境（虛擬現(xiàn)實）技術(shù)的理論、實現(xiàn)及應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2] Hubble Space Telescope Repair[EB\\OL].[2008-06-14].http://paperairplane.mit.edu/l6.423J/Space/SBE/eva/ EVA/default.htm.

[3] The Emergency Simulation Program(ESP)[EB\\OL].[2008-06-14].http://www.straylightmm.com/index.html.

[4] Diabolo VR[EB\\OL].[2008-06-15].http://www.e-semble.com.

[5] VIEW[EB\\OL].[2008-06-15].http://www.view.iao.fraunhoger.de/.

[6] Azuma R， Baillot Y， Behringer R， et al. Recent advances in augmented reality[J]. IEEE Computer Graphics and Applications， 2001，21(6):34-47.