虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)前景及應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。目前在娛樂、教育及藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用占據(jù)主流,其次是軍事與航空、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,機(jī)器人和商業(yè)領(lǐng)域都占有一定比例。另外，在可視化計(jì)算、制造業(yè)等領(lǐng)域也有相當(dāng)?shù)谋戎亍?/p>

二十一世紀(jì)科技的發(fā)展給人的感覺就像生物進(jìn)化一樣，學(xué)科的界線模糊了，新技術(shù)相互融合衍生出更新的技術(shù)，更改了傳統(tǒng)學(xué)科的面貌。隨著寬帶網(wǎng)的普及，以W3D技術(shù)為主流的桌面型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在科研、教學(xué)、工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，近年來有大量的科研成果涌現(xiàn)。研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，能夠使設(shè)計(jì)活動(dòng)更完美的與現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)結(jié)合，為工業(yè)設(shè)計(jì)理論和方法的革新帶來新契機(jī)。

虛擬現(xiàn)實(shí)的概念、技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)這一名詞是Jaron Lanier于20世紀(jì)80年代提出來的，這是他在計(jì)算機(jī)上建造這類環(huán)境時(shí)領(lǐng)悟并創(chuàng)造出的一個(gè)名詞。這一名詞日漸流行并被學(xué)術(shù)界所接受，現(xiàn)已代替其他名詞。如人工現(xiàn)實(shí)（Artificial Reality）等。

Virtual Reality虛擬現(xiàn)實(shí)，又稱靈境技術(shù)，是以沉浸性、交互性和構(gòu)想性為基本特征的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面。他綜合利用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能夠沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬境界中，并能夠通過語言、手勢(shì)等自然的方式與之進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，創(chuàng)建了一種適人化的多維信息空間。使用者不僅能夠通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)感受到在客觀物理世界中所經(jīng)歷的“身臨其境”的逼真性，而且能夠突破空間、時(shí)間以及其他客觀限制，感受到真實(shí)世界中無法親身經(jīng)歷的體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在當(dāng)今社會(huì)生活及科學(xué)研究的各個(gè)方面都有著廣泛的應(yīng)用，在以下幾個(gè)方面尤為突出：工程領(lǐng)域、藝術(shù)與娛樂領(lǐng)域、科學(xué)領(lǐng)域、虛擬訓(xùn)練方面等等。目前仍有許多領(lǐng)域有待或正在開發(fā)，如造型術(shù)、神經(jīng)病學(xué)、教學(xué)、戲曲、人工智能、機(jī)器人學(xué)、仿真模擬、藝術(shù)設(shè)計(jì)、時(shí)裝、信息檢索、博物館及銷售。

在短短的時(shí)間內(nèi)，虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)失去了面向問題的技術(shù)形象，正在應(yīng)用于人類探索的各個(gè)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成功與否除臨場(chǎng)感、浸入、空間感和交互方式外，與系統(tǒng)的可靠性、易使用性、費(fèi)用、實(shí)際的副作用以及效率有重大關(guān)系，這些方面的改進(jìn)都將促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

虛擬現(xiàn)實(shí)涉及的關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形生成技術(shù)

三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，利用計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準(zhǔn)確的模型，又有足夠的時(shí)間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)。為了達(dá)到實(shí)時(shí)的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15楨/秒，最好是高于30楨/秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。例如在飛行模擬系統(tǒng)中，圖像的刷新相當(dāng)重要，同時(shí)對(duì)圖像質(zhì)量的要求也很高，再加上非常復(fù)雜的虛擬環(huán)境，問題就變得相當(dāng)困難。

立體顯示和傳感器技術(shù)

人看周圍的世界時(shí)，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子里融合起來，就形成了一個(gè)關(guān)于周圍世界的整體景象，這個(gè)景象中包括了距離遠(yuǎn)近的信息。當(dāng)然，距離信息也可以通過其他方法獲得，例如眼睛焦距的遠(yuǎn)近、物體大小的比較等。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統(tǒng)采用單個(gè)顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數(shù)幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數(shù)幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產(chǎn)生了立體感。

觸覺反饋技術(shù)

在虛擬現(xiàn)實(shí)中，用戶可以看到一個(gè)虛擬的杯子。你可以設(shè)法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內(nèi)層安裝一些可以振動(dòng)的觸點(diǎn)來模擬觸覺。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，產(chǎn)生身臨其境效果的關(guān)鍵因素之一是讓用戶能夠直接操作虛擬物體并感覺到虛擬物體的反作用力。然而研究力學(xué)反饋裝置是相當(dāng)困難的，如何解決現(xiàn)有高精度裝置的高成本和大重量是一個(gè)需要進(jìn)一步研究的問題。

人機(jī)交互技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)交互遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鍵盤和鼠標(biāo)的傳統(tǒng)模式，利用數(shù)字頭盔、數(shù)字手套等復(fù)雜的傳感器設(shè)備，三維交互技術(shù)與語音識(shí)別、語音輸入技術(shù)成為重要的人機(jī)交互手段。這就要求虛擬環(huán)境能聽懂人的語言，并能與人實(shí)時(shí)交互。而讓計(jì)算機(jī)識(shí)別人的語音是相當(dāng)困難的，因?yàn)檎Z音信號(hào)和自然語言信號(hào)有其“多邊性”和復(fù)雜性。例如，連續(xù)語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，同一詞、同一字的發(fā)音受前后詞、字的影響，不僅不同人說同一詞會(huì)有所不同，就是同一人發(fā)音也會(huì)受到心理、生理和環(huán)境的影響而有所不同。

動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù)（有規(guī)則的環(huán)境），而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術(shù)，兩者的有機(jī)結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。

系統(tǒng)集成技術(shù)

由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)為重中之重：包括信息同步技術(shù)、模型標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、識(shí)別和合成技術(shù)等等。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場(chǎng)合和對(duì)象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對(duì)象可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。為了達(dá)到這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)工具。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用前景

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。目前在娛樂、教育及藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用占據(jù)主流,其次是軍事與航空、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,機(jī)器人和商業(yè)領(lǐng)域都占有一定比例,另外在可視化計(jì)算、制造業(yè)等領(lǐng)域也有相當(dāng)?shù)谋戎亍Ｏ旅娼榻B其部分應(yīng)用領(lǐng)域：

娛樂、藝術(shù)與教育領(lǐng)域

豐富的感覺能力與3D顯示環(huán)境使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為理想的視頻游戲工具。如Chicago(芝加哥)開放了關(guān)于3025年的一場(chǎng)未來戰(zhàn)爭(zhēng)的世界上第一臺(tái)大型可供多人使用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)娛樂系統(tǒng);1992年的一臺(tái)稱為“LegealQust”的系統(tǒng)由于增加了人工智能功能,使計(jì)算機(jī)具備了自學(xué)習(xí)功能,大大增強(qiáng)了趣味性及難度,使該系統(tǒng)獲該年度虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)品獎(jiǎng)。

作為傳輸顯示信息的媒體, 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的臨場(chǎng)參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術(shù)轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的,可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術(shù),提高了藝術(shù)表現(xiàn)能力。

軍事與航天工業(yè)領(lǐng)域

模擬與練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個(gè)重要課題,這為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用前景。美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱為SIM NET的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)系統(tǒng),以提供坦克協(xié)同訓(xùn)練,該系統(tǒng)可聯(lián)結(jié)200多臺(tái)模擬器。另外利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)技術(shù),可模擬零重力環(huán)境,以代替現(xiàn)在非標(biāo)準(zhǔn)的水下訓(xùn)練宇航員的方法。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在虛擬環(huán)境中,可以建立虛擬的人體模型,借助于跟蹤球、HMD、感覺手套,學(xué)員們可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu),這比現(xiàn)有的采用教科書的方式要有效得多。

Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個(gè)SGI工作站建立了一個(gè)虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器,用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個(gè)虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺(tái)與手術(shù)燈,虛擬的外科工具(如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等),虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺手套,使用者可以對(duì)虛擬的人體模型進(jìn)行手術(shù)。

另外,在遠(yuǎn)距離遙控外科手術(shù),復(fù)雜手術(shù)的計(jì)劃安排,手術(shù)過程的信息指導(dǎo),手術(shù)后果預(yù)測(cè)及改善殘疾人生恬狀況,乃至新型藥物的研制等方面, 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)技術(shù)都有十分重要的意義。

管理工程領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在管理工程方面也顯示出了無與倫比的優(yōu)越性。如設(shè)計(jì)一新型建筑物時(shí),可以在建筑物動(dòng)工之前用VR技術(shù)顯示一下;當(dāng)財(cái)政發(fā)生危機(jī)時(shí),可以幫助分析大量的股票、債券等方面的數(shù)據(jù)以尋找對(duì)策等等。

以上僅列出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的部分應(yīng)用前景,可以預(yù)見,在不久的將來,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)影響甚至改變我們的觀念與習(xí)慣,并將深入到人們的日常工作與生活。