淺談虛擬現實技術的實現與發展

徐宇杰 管會超

摘 要：虛擬現實技術（virtual Reality），是一沉浸式交互環境。借用虛擬現實技術，人們可以獲得目前在現實中無法實現的體驗效果。近年來，隨著計算機圖形技術（Computer Graphy）以及交互體驗設備的推陳出新，虛擬現實技術對現代生活的方方面面都產生了深遠的影響。該文將介紹普遍的虛擬實現技術的實現方式以及其在各方面的利用價值，并最后對虛擬現實技術的發展前景做了展望。

關鍵詞：虛擬現實技術 計算機圖形技術 交互體驗設備 發展 應用

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0019-01

虛擬現實作為一種綜合多種科學技術的計算機領域新技術，已經涉及眾多研究和應用領域，被公認為是21世紀重要的發展學科以及影響人們生活的重要技術之一。其未來的研究將遵循“低成本、高性能”原則，從軟件、硬件上不斷展開，不斷發展成為一門成熟的科學和藝術。

1 虛擬現實技術的發展歷程

1.1 虛擬現實技術的發展歷程

20世紀50年代至70年代，是虛擬現實技術的探索階段，1956年到1960年美國電影攝影師Morton Helling研制出Sensorama的立體電影系統。1965年計算機圖形學的奠基者美國科學家Ivan Sutherland博士在國際信息處理聯合會上提出終極顯示的概念，即觀察者直接沉浸在計算機生成的虛擬世界中，虛擬世界將會通過人體的反應做出相應的改變。并之后研究出了一些能夠模擬力量和觸覺的力反饋裝置。

20世紀80年代初期至中期，虛擬現實技術系統化，從實驗室走向實用階段20世紀80年代，美國的VPL公司創始人Jaron Lanier正式提出了Virtual Reality一詞。同期美國宇航局NASA開發了用于火星探測的虛擬世界視覺顯示器。

20世紀80年代末期至今，虛擬現實技術的高速發展。1996年10月31日，世界上第一個虛擬現實技術博覽會在倫敦開幕。全世界的人們都可以坐在家中通過英特網參觀這個完全由虛擬計算機技術構造成的虛擬博覽會。

1916年12月，世界上第一個虛擬現實環球網在英國投入運行。英特網用戶可以在一個由立體虛擬現實世界組成的網絡中自由體驗。

目前隨著近些年來迅速發展的計算機硬件技術與不斷改進的計算機軟件系統，基于大型數據集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為可能，人機交互系統設計的不斷進步，虛擬現實的可實現性和體驗效果獲得了極大的提高。同時伴隨著虛擬現實設備的小型化和民眾化，可以預見在不久的未來，虛擬現實必將擁有著很廣闊的市場。

1.2 現代虛擬現實技術的實現

現代虛擬現實的實現方式大概分為以下三個階段。

1.2.1 前期虛擬場景的建模和渲染

一個好的虛擬現實產品其對于視覺效果的要求往往是非常高的，前期模型制作的精細程度以及渲染效果往往在很大程度上決定了一個虛擬現實產品的成敗。對于前期的模型制作主要有以下幾個軟件：3DMAX，CATIA，UG，PROE，其中各有側重點，3DMAX這一軟件主要使用于建筑場景的制作，如街景，房屋，室內用品以及人體模型制作，它以及其強大的非工程建模能力和絢麗的渲染效果一直深受各個虛擬現實技術者的喜愛，在市場上也占據了相當的分量。CATIA，PROE，UG這三個軟件可以說是三足鼎力不相上下，它們都以其強大的參數化建模能力而活躍于工程領域，三者也各有側重點。catia主要偏重于車輛工程以及航空航天領域，UG主要偏重于航空發動機的建模，proe主要用于模具行業。虛擬現實技術者在建模的過程中往往要根據項目的對象而靈活使用不同的建模軟件，取其長處，避其短處。前期模型的制作效果直接影響整個項目的實現效果。

1.2.2 動畫素材的制作

虛擬現實技術構建的是一個動態世界，優秀的動畫素材能使虛擬世界更加的真實和震撼。在此方面無疑3Dmax和maya占據著絕對的地位。而動畫制作在虛擬現實中主要是分為人體動畫的制作和普通物體動畫。3DMAX和maya都能出色地完成任務，唯一要注意的就是二者軟件與相應的虛擬集成平臺之間的接口問題。

1.2.3 虛擬集成平臺的使用

虛擬集成平臺主要用于項目資源的最后整合，將前面所得到的模型和動畫素材最后整合成一個項目，并對其進行渲染，可以把第一步和第二步比作材料生產廠，則虛擬集成平臺的使用可以認為是是最后的組裝廠。此外，虛擬集成平臺之所以是上面那些軟件所不能替代的主要原因就是可以在虛擬平臺中實現項目與外設硬件設備的交互如常見的外設鍵盤，鼠標。到比較高級的體感設備如kinect等。目前主流的虛擬集成平臺主要有virtools，3DVIA studio，Unity3D等等，這些平臺可以按照自己的情況進行選用，像u3d由于在游戲引擎方面的強大實力，所以如果單獨用來開發普通的2d和3d游戲則U3d是比較好的選擇，目前國內相關的資料也是比較齊全。但是如果要考慮輸出成3d顯示效果的project則virtools和3DVIA studio在這方面有著比較充足的預設來實現各種3d顯示效果。

1.2.4 虛擬現實體感設備的交互系統的開發與調試

虛擬現實體感設備主要可分為視覺感知設備，聽覺感知設備，觸覺和力反饋設備，位置跟蹤設備。目前在市場已經有著紛繁復雜的體感設備如微軟的kinect，任天堂的wili，視覺頭盔等，通過這些體感設備實時讀入現實生活中的數據，而進行實時刷新和實時建模和渲染，從而使構建與現實世界實時交互的虛擬系統，這將會是虛擬現實技術發展的一個重要方面。我們應該慶幸我們站在巨人的肩膀上，微軟這些公司已經為我們提供了及其強大的硬件支持，使我們有可能獨立的完成虛擬現實項目的開發工作。但是同時開發者自己也必須擁有一定的接口開發能力來實現相應的體感硬件和自己所使用的軟件的接口開發，如此才能夠在未來虛擬市場競爭之時立足于不敗之地。

2 虛擬現實技術的應用和其展望

虛擬現實技術由于其相對于現實的高實現性和低成本性，必將廣泛用于各個行業。如對于航空行業，通過虛擬現實技術可以不必購進價格高昂的航空發動機便可以對其進行熟悉和研究。建筑行業，通過虛擬現實技術可以虛擬動態演示各種建筑設施，從而增加銷售業績。醫療領域可以通過虛擬虛擬現實技術仿真培訓課程，對外科醫生進行開刀培訓，大大增加醫護人員的醫療水平。同時隨著虛擬現實技術水平的進步，總有一天虛擬現實技術將會走進千家萬戶，在各個方面影響人們的生活。

參考文獻

[1] 覃伯明.Virtools引擎3D游戲程序設計[M].北京：清華大學出版社，2013.

[2] 劉光燃.虛擬現實技術[M].北京：清華大學出版社，2011.

[3] 趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學（F輯：信息科學），2009，39（1）.