淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

王中帥 張亞威

摘要：隨著3D曠世巨作《阿凡達(dá)》席卷全球，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也登上了世界舞臺(tái)。虛擬現(xiàn)實(shí)，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的、具有視聽(tīng)觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶(hù)通過(guò)使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境的交互式視景和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；仿真；數(shù)字化人機(jī)接口；模擬系統(tǒng)；信息交流1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬現(xiàn)實(shí)(簡(jiǎn)稱(chēng)VR)，又稱(chēng)靈境技術(shù)，是以浸沒(méi)感、交互性和構(gòu)想為基本特征的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面，是迅速發(fā)展的一項(xiàng)綜合性計(jì)算機(jī)、圖形交互技術(shù)。它綜合利用了計(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(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官功能，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(guò)語(yǔ)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(guò)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，感受到在真實(shí)世界中無(wú)法親身經(jīng)歷的體驗(yàn)。目前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀主要涉及到三個(gè)研究領(lǐng)域：依靠計(jì)算機(jī)圖形方式建立實(shí)時(shí)的三維視覺(jué)效果、構(gòu)建對(duì)虛擬世界的觀察界面和使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)加強(qiáng)其在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用。

2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特征及其系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

從本質(zhì)上說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)就是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶(hù)接口，它通過(guò)給用戶(hù)同時(shí)提供諸如視、聽(tīng)、觸等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段、最大限度地方便用戶(hù)的操作，從而減輕用戶(hù)的負(fù)擔(dān)、提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有以下四個(gè)重要特征。

⑴多感知性。所謂多感知性，就是指導(dǎo)除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)具有的視覺(jué)感知之外，還包括聽(tīng)覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)和運(yùn)動(dòng)感知，甚至包括味覺(jué)感知、嗅覺(jué)等感知。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。

⑵浸沒(méi)感。又稱(chēng)臨場(chǎng)感,它是指用戶(hù)感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶(hù)難以分辨真假的程度。

⑶交互性。它是指用戶(hù)對(duì)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(shí)時(shí)性)。我們借助與我們的感覺(jué)器官,在虛擬的環(huán)境中體驗(yàn)真實(shí)的環(huán)境。

⑷自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律進(jìn)行動(dòng)作的程度。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要由動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具和系統(tǒng)集成技術(shù)等五個(gè)方面組成。其中動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是根據(jù)應(yīng)用的需要獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù),并利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。而三維圖形的生成技術(shù)關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”生成。立體顯示和傳感器技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)中實(shí)施交互能力的關(guān)鍵。

3當(dāng)今虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。目前在娛樂(lè)、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旅婧?jiǎn)要介紹其部分應(yīng)用。

⑴管理工程領(lǐng)域。VR在管理工程方面也顯示出了無(wú)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)的部分應(yīng)用前景，可以預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，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。

⑵娛樂(lè)、藝術(shù)與教育領(lǐng)域。豐富的感覺(jué)能力與3D顯示環(huán)境使得VR成為理想的視頻游戲工具。如Chicago(芝加哥)開(kāi)放了關(guān)于3025年的一場(chǎng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的世界上第一臺(tái)大型可供多人使用的VR娛樂(lè)系統(tǒng)；作為傳輸顯示信息的媒體，VR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。

⑶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VR提供了廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)國(guó)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(chēng)為SIMNET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。

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)的研究?jī)?nèi)容涉及到人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、傳感器、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、智能控制、心理學(xué)等。雖然這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)潛力是巨大的，應(yīng)用前景也是廣闊的，但仍存在著許多尚未解決的問(wèn)題和尚未客服的技術(shù)障礙。客觀而論，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所取得的成就，絕大部分還僅僅限于擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)接口的能力，僅僅是剛剛開(kāi)始涉及到人的感知系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的結(jié)合作用問(wèn)題，還根本未涉及“人在實(shí)踐中得到的感覺(jué)信息是怎樣在人的大腦中存儲(chǔ)和加工處理成為人對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)”這一重要過(guò)程。只有當(dāng)真正開(kāi)始涉及并找到對(duì)這些問(wèn)題的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑時(shí)，人和信息處理系統(tǒng)間的隔閡才有可能被徹底的克服，我們期待這有朝一日,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)成為一種對(duì)多維信息處理的強(qiáng)大系統(tǒng),成為人進(jìn)行思維和創(chuàng)造的助手和對(duì)人們已有的概念進(jìn)行深化和獲取新概念的有力工具。我們相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)3D運(yùn)算能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬大大提高，虛擬現(xiàn)實(shí)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用將日益廣泛。

[參考文獻(xiàn)]

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