虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用

摘要:虛擬現(xiàn)實技術(shù)是20世紀(jì)末發(fā)展起來的一門綜合性的信息技術(shù)，該文對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念、分類、特征和應(yīng)用做了闡述，并對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用進行展望。

關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實技術(shù);分類;特征;應(yīng)用

中圖分類號:TP37文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)32-9069-02

Virtual Reality Technology and Its Application

PANG Song-he

(Guangxi Polytechnic of Construction， Nanning 530003， China)

Abstract: Virtual reality (VR) technology is a comprehensive information technology developed in the late 20th century， the paper elaborates the concept， classification， characteristics and applications of virtual reality technology， and prospects it’s development and application.

Key words:VR; classification; characteristy; application

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機應(yīng)用已經(jīng)普及社會的各個行業(yè)，并對我們的工作方式和生活方式帶來前所未有的變化。以計算機技術(shù)為核心的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，綜合了計算機圖形學(xué)、計算機仿真技術(shù)、人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)等多項高新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究始于20世紀(jì)60年代，直到90年代初，才開始作為一門較完整的體系而受到人們極大的關(guān)注。特別是近年來，隨著普通臺式機性能大幅度提高，使得該技術(shù)脫下高貴的外衣，廣泛應(yīng)用于與日常生活密切相關(guān)的各個領(lǐng)域。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virual Reality)也稱VR技術(shù)，是指利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)以及人機接口技術(shù)等高新技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要通過構(gòu)建一個文字(Text)、圖形(Graph)、圖像(Image)、動畫(Animation)、聲音(Audio)、視頻(Video)等不同信息為一體的人機交互系統(tǒng)，營造出一個內(nèi)容豐富、色彩繽紛、圖文并茂、動靜相融的虛擬情景，促使人們腦、眼、手、口等多種器官接受刺激，使人們產(chǎn)生一種身臨其境的近乎完全真實的感覺[1]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要通過構(gòu)建一個文字(Text)、圖形(Graph)、圖像(Image)、動畫(Animation)、聲音(Audio)、視頻(Video)等不同信息為一體的人機交互系統(tǒng)，營造出一個內(nèi)容豐富、色彩繽紛、圖文并茂、動靜相融的虛擬情景，促使人們腦、眼、手、口等多種器官接受刺激，使人們產(chǎn)生一種身臨其境的近乎完全真實的感覺[1]。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的分類

2.1 根據(jù)支持設(shè)備來分類[2]

沉浸式:除計算機的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備外，還要增加一些特殊的外部設(shè)備，如三維立體顯示器、數(shù)字手套、操縱桿等，體驗者可以感知視覺、觸覺、嗅覺、味覺等多種信息。沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以營造一種較理想的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，使體驗者有如親臨其境的感覺，但是外加的設(shè)備昂貴，不利于推廣使用。

非沉浸式:只使用計算機的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，只能感受視覺與聽覺，盡量使用軟件去模擬接近較理想的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。效果雖然不如沉浸式理想，但是經(jīng)濟、方便，便于推廣使用。

2.2 根據(jù)漫游的方式來分類

自動漫游:由制作者在制作時設(shè)定漫游的路徑，計算機根據(jù)這一事先設(shè)定的路徑從相應(yīng)的角度和方位去展示虛擬場景。自動漫游作品一般以視頻文件提供，通過視頻播放器播放，體驗者除了操作播放器按鍵外，不能與虛擬場景有任何交互。

交互式漫游:與自動漫游最大的不同，就是漫游的路徑由體驗者通過鼠標(biāo)、鍵盤或其他特殊設(shè)備進行操控，可以由體驗者任意從不同的角度和方位去觀看虛擬場景。交互式漫游作品一般以可執(zhí)行文件提供，可以直接運行。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征

3.1 多感知性(Multi-Sensory)

所謂多感知是指除了一般計算機技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。但由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等幾種。

3.2 沉浸性(Immersion)

沉浸性也稱臨場感，指體驗者感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使體驗者難以分辨真假，全身心地投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，如同在現(xiàn)實世界中的感覺一樣。

3.3交互性(Interactivity)

交互性指體驗者對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實時性)。用戶可以通過三維交互設(shè)備直接操縱計算機所給出的虛擬世界中的對象， 虛擬世界中的對象也能夠?qū)崟r地做出相應(yīng)的反應(yīng)。

3.4構(gòu)想性(Imagination)

構(gòu)想性指體驗者從虛擬現(xiàn)實環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識，深化對概念的理解，主動獲取新的信息，并產(chǎn)生新的想法，進而解決實際應(yīng)用問題。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛，目前在娛樂、教育的應(yīng)用占據(jù)主流，其次是軍事、機械設(shè)計與制造，在建筑業(yè)的應(yīng)用顯示出廣闊的前景。

4.1 娛樂游戲

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建的虛擬場景，使娛樂參與者有親臨其境的感覺，將自己作為娛樂主角的體驗更加強烈，增強了娛樂的趣味性和難度。由于在娛樂方面對虛擬場景的真實感要求不是太高，因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在娛樂方面的應(yīng)用最為迅猛，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也成為最理想的視頻游戲工具。現(xiàn)在的絕大多數(shù)游戲都采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來設(shè)計。

4.2 教育培訓(xùn)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，并且針對不同課程的特點，側(cè)重點有所不同。

演示設(shè)備的工作過程。包括機械設(shè)備、電子設(shè)備在內(nèi)的許多設(shè)備，其工作過程是看不見的，傳統(tǒng)的教學(xué)掛圖又難以立體、連續(xù)地展示其工作過程，比如發(fā)動機的工作過程、網(wǎng)絡(luò)交換機的工作過程等等，通過虛擬的場景較真實再現(xiàn)設(shè)備的工作過程(如有必要還可以進行分解)，讓學(xué)生更直觀、形象地了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作過程，進而理解設(shè)備的工作原理，可以達到實際實驗難以實現(xiàn)的效果。

展示工程難以或不可展示的損壞現(xiàn)象。在各類工程施工中，都有因設(shè)計或施工不當(dāng)引起施工事故的現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象在實際教學(xué)中由于成本太高是不可能在實驗室再現(xiàn)的，傳統(tǒng)的方式只看錄像資料，但是這種方式又不能將事故現(xiàn)象、過程與事故原因聯(lián)動。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，就可以將不同事故原因和不同的事故現(xiàn)象、過程直觀的展示出來。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用還有很多，如在醫(yī)學(xué)教學(xué)上通過創(chuàng)建虛擬人體讓學(xué)生更直觀的了解人體的構(gòu)造和功能;在機動車駕駛員培訓(xùn)中，可以利用虛擬駕駛室，讓學(xué)習(xí)者進行駕駛機動車的啟動、換檔、加減油門、方向盤控制和剎車、停車等各種操作;等等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能形象、生動、逼真地表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生把握知識和技能的效率和積極性，達到優(yōu)化教學(xué)過程、提高教學(xué)質(zhì)量的目的。另一方面，將虛擬技術(shù)應(yīng)用于教育，還可以節(jié)省成本、規(guī)避風(fēng)險，打破空間、時間的限制[5]。

4.3 軍事

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬戰(zhàn)爭過程已成為最先進的多快好省的研究戰(zhàn)爭、培訓(xùn)指揮員的方法。戰(zhàn)爭實驗室在檢驗預(yù)定方案用于實戰(zhàn)方面也能起巨大作用。

4.4 機械設(shè)計與制造[4]

虛擬技術(shù)較早就應(yīng)用機械設(shè)計與制造領(lǐng)域。

在機械設(shè)計方面，通過虛擬技術(shù)，建立整機或零部件模型，采用運動、動力等方法進行分析，以三維模型及動畫的形式實現(xiàn)內(nèi)整機或零部件設(shè)計開發(fā)的過程。這種設(shè)計模式，可使用戶直接參與產(chǎn)品設(shè)計，身臨其境地測試產(chǎn)品性能和真實感受產(chǎn)品的使用性能，實現(xiàn)全局優(yōu)化和一次性開發(fā)成功的目的，能有效提高設(shè)計效率，縮短周期，降低成本。

在機械制造方面，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)內(nèi)燃機整機或零部件制造全過程的優(yōu)化，以達到整機或零部件的開發(fā)周期和成本最小化、設(shè)計質(zhì)量最優(yōu)化，生產(chǎn)效率的最大化的目的。

4.5 建筑

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑的處理，與上述的幾個方面有所不同，一是建筑物(包括園林景觀)的“面”很多，二是建筑(包括園林景觀)各個“面”的材質(zhì)非常復(fù)雜。因此，相比之下，在各個層面的應(yīng)用，處理建筑的計算機性能要求更高，這也是虛擬技術(shù)較晚用于建筑行業(yè)的主要原因之一。近幾年來，隨著計算機硬件性能的提高，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用得到推廣。虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建的建筑動畫可以以一種新穎、獨立的表現(xiàn)方面廣泛應(yīng)用在建筑的規(guī)劃設(shè)計、建筑設(shè)計、裝飾設(shè)計和房地產(chǎn)營銷等階段。

在規(guī)劃設(shè)計中，通過建筑動畫將規(guī)劃區(qū)域展示在規(guī)劃設(shè)計者、政府決策者、投資開發(fā)者和普通市民面前，讓他們從不同的角度和方位去審視、欣賞，從更高的層面去完善規(guī)劃設(shè)計。

在建筑設(shè)計，通過建筑動畫，既可以觀察建筑物的外觀是否達到業(yè)主的要求，還可以看到擬建建筑和周圍環(huán)境是否和諧相容，擬建建筑是和同周圍的原有的建筑協(xié)調(diào)，以免造成建筑物建成后，破壞了所在區(qū)域的原有風(fēng)格和合理布局。

在裝飾設(shè)計中，設(shè)計師通過建筑動畫，將設(shè)計方案呈現(xiàn)給客戶，讓客戶能從整體、從細(xì)節(jié)去觀看，能更充分地和設(shè)計師交流，表達他們的意圖，并可以多方案切換，更好地滿足客戶的要求。

在房地產(chǎn)營銷中，通過建筑動畫建造擬建的樓盤，將未來的美妙藍圖提前變成眼前的現(xiàn)實。讓客戶通過鼠標(biāo)操作，從不同的路徑進入擬建樓盤的任意位置，對小區(qū)不同位置和不同房間的視野有親臨其境的體驗，加深對樓盤的了解。

5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用展望

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是20世紀(jì)末才興起來的一門嶄新綜合性的信息技術(shù)，尚處于初創(chuàng)時期，遠(yuǎn)未達到成熟階段。雖然在很多領(lǐng)域已經(jīng)有著典型的應(yīng)用實例，但如果要擴大應(yīng)用面，普及到日常的計算機應(yīng)用層面，還存在不少有待解決的問題。

首先，要解決軟件的問題。一是通過研究高效的建模、渲染和動畫(或互動)設(shè)置方法，開發(fā)出針對性系統(tǒng)平臺軟件，簡化目前開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)所涉及到的建模、渲染和動畫(或互動)設(shè)置等環(huán)節(jié)的繁瑣步驟，降低開發(fā)費用;二是建立足夠多的模型庫，以避免建模環(huán)節(jié)的人海戰(zhàn)術(shù)，進一步降低成本，縮短開發(fā)周期，同時還使得虛擬環(huán)境與客觀世界更一致，對其中種類繁多、構(gòu)形復(fù)雜的信息做出準(zhǔn)確、完備的描述。

其次，有待計算機硬件性能的提升。只有硬件性能的提高，才使得計算機系統(tǒng)有更強的三維圖形處理能力，從而解決三維動畫的實時圖形顯示問題(尤其是互動操作時要求更高)，以及虛擬環(huán)境再現(xiàn)的準(zhǔn)確性問題。

可以預(yù)料，在不遠(yuǎn)的將來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究日臻完善，會有著廣泛的發(fā)展前景，發(fā)揮的作用也將會越來越大。

參考文獻:

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