淺析虛擬操作技術(shù)

劉人瑋

（株洲市第二中學(xué)，湖南株洲，412000）

0 引言

當(dāng)代社會發(fā)展十分迅速，技術(shù)水平日新月異。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，也產(chǎn)生了很多高危職業(yè)，同時也加劇了地球資源消耗，因此發(fā)展虛擬現(xiàn)實技術(shù)刻不容緩。若想解決這一問題，首當(dāng)其沖的就是發(fā)展當(dāng)前的虛擬操作技術(shù)。虛擬操作技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)與運動學(xué)和動力學(xué)相互結(jié)合的一種應(yīng)用技術(shù)[1]。

現(xiàn)如今，虛擬技術(shù)已經(jīng)可以模擬出一個與現(xiàn)實世界物理原理基本一致的世界。但唯一的不足就在于虛擬操作技術(shù)的發(fā)展還過于滯后。從設(shè)備到現(xiàn)有的操作方式都還遠遠不能達到人們的要求，遠不能達到應(yīng)有的沉浸感。

與現(xiàn)實世界的操作相較，虛擬操作應(yīng)當(dāng)具有良好的可操作性，以保證操作者可以高效，安全地完成操作，在此基礎(chǔ)上，還可以重復(fù)實驗，即可以修改環(huán)境參數(shù)以模擬不同的環(huán)境，應(yīng)用于諸如航空航天等環(huán)境變化劇烈的情況；同時節(jié)約資源，真正做到完成實驗僅僅消耗現(xiàn)實世界中的可再生資源從而達到與現(xiàn)實世界實驗結(jié)果幾乎一致的目的。

因此，本文首先論述了虛擬操作技術(shù)的研究意義，同時對當(dāng)今虛擬操作技術(shù)的研究和應(yīng)用情況進行簡述，最后給出一種虛擬操作系統(tǒng)構(gòu)建的方法。

1 虛擬操作技術(shù)的研究意義

虛擬操作技術(shù)的關(guān)鍵在于對現(xiàn)實各種環(huán)境的模擬，以達到不同環(huán)境下的行動的效果。所以行動的目的就是發(fā)展虛擬操作技術(shù)的最終目的。但是這個最終目的對于不同人來說都是不同的。而這個最終目的大致可分為三類：安全、節(jié)約和實現(xiàn)。

眾所周知，現(xiàn)實生活中的資源是有限的，尤其是地球上已經(jīng)被人類開發(fā)了幾千年的資源，現(xiàn)在來看更是珍貴。因此便需要發(fā)展虛擬操作技術(shù)，只需人工將數(shù)據(jù)輸入計算機生成的世界，便可在現(xiàn)實世界的資源僅僅只是微量的消耗下，完成對實驗結(jié)果的探究。再者，人類的大多數(shù)活動都是會對人類以至于其他生物和自然界造成很大的影響的，小的可能只是造成神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生痛的感覺，大的也可以造成生物的死亡甚至于滅絕。但是在虛擬操作技術(shù)的發(fā)展下，通過虛擬世界的模擬，現(xiàn)實世界中的這種事件完全可以避免。

并且，對于現(xiàn)實世界中暫時做不到的事情，也可以在虛擬世界中完成。對于影視觀眾和游戲玩家來說，虛擬操作技術(shù)的發(fā)展可以大大提高沉浸感，并以此提高滿足感。對科學(xué)研究而言，則可以通過虛擬操作技術(shù)完成當(dāng)下技術(shù)所達不到的領(lǐng)域。比如探究黑洞、模擬在其他星球上的生活等等，可以廣泛地應(yīng)用于物理學(xué)的各個領(lǐng)域。

2 虛擬操作技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

由于虛擬操作具有上述優(yōu)勢，所以現(xiàn)在很多國家，組織以及個人層面都在對虛擬操作技術(shù)進行研究。所涉及的領(lǐng)域有戰(zhàn)爭、醫(yī)療、航空航天、材料及產(chǎn)品設(shè)計和駕駛等的模擬。比如美國的NASA現(xiàn)在正在研制一款太空機器人，可被太空站內(nèi)的使用者通過VR進行操控[2]，并將數(shù)據(jù)傳給站外的機器人，從而在站內(nèi)就可以完成各種外部的維修或者其他任務(wù)。

目前，虛擬操作技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用是國際學(xué)界研究的重點課題，我國就有三十多所大學(xué)在對這一方向進行研究，比如由中科院計算所和北醫(yī)一同研究的數(shù)字人就屬于此類。在這里，可以通過建立一個空間中的三維坐標(biāo)系，并通過數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)輸入，模擬出體內(nèi)的環(huán)境及實際狀況，在不對任何活體進行實驗的情況下達到模擬的效果。并通過數(shù)據(jù)手套和視覺上的模擬，以提高沉浸感，最終達到與實際實驗或者實際手術(shù)相同的效果，以達到訓(xùn)練和研究的目的。

同時，虛擬操作技術(shù)也可以在軍事、旅游和文化教育方面進行應(yīng)用。在軍事上，可對戰(zhàn)事進行預(yù)測和決策模擬，以此估測作此決策會對戰(zhàn)事產(chǎn)生什么影響，以此來協(xié)助己方的戰(zhàn)時決策的制定；在旅游上，可對實地和當(dāng)?shù)赝撂禺a(chǎn)等進行介紹和預(yù)覽，以此推動當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展；在文化教育上，可以對很多的實物及其形成過程進行模擬，例如在虛擬環(huán)境下重現(xiàn)胡夫金字塔、故宮博物院以及索菲亞大教堂；在手機和PC等終端上還原中學(xué)課本上的物理、化學(xué)、生物等學(xué)課的實驗等。

此外，現(xiàn)在為大眾所廣泛了解的可能就是虛擬操作技術(shù)在游戲領(lǐng)域的應(yīng)用了。目前已有多個國家和公司在對游戲等的虛擬操作進行研究。其中美國在硬件技術(shù)上處于絕對領(lǐng)先的地位，韓國、日本等國在軟件研發(fā)上也有著不俗的實力。

3 虛擬操作技術(shù)的實現(xiàn)

3.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集和設(shè)計

對于現(xiàn)實世界的任何一個所需要的事件的數(shù)據(jù)都可以將它分作三個維度，模擬的數(shù)據(jù)也是一樣，用采集到的三維數(shù)據(jù)通過計算機的模擬生成一個模擬的，與現(xiàn)實世界無異的三維世界。

3.2 實驗者數(shù)據(jù)采集

應(yīng)做到即時，協(xié)調(diào)，精準(zhǔn)。在絕大多數(shù)情況下，實驗者會通過肢體的各項活動來進行實驗，以此數(shù)據(jù)的變化也是十分迅速的。所以可以通過可穿戴設(shè)備對于實驗者的行為進行及時采集并且將數(shù)據(jù)實時上傳至計算機，以便計算機對下一步發(fā)展進行模擬。從另一個思路上來說，可以通過攝像頭等設(shè)備對反應(yīng)數(shù)據(jù)進行采集，其他與前一個思路一致。第二個思路對技術(shù)要求更高，但是對于室內(nèi)操作的操作者來說相對更安全，可以避免因為可穿戴設(shè)備屏蔽視線而導(dǎo)致的撞擊或踩空導(dǎo)致的受傷甚至死亡。而可穿戴設(shè)備可以通過許多的關(guān)節(jié)處的壓力感受位點綜合收集數(shù)據(jù)模擬出使用者的動作以及力度，并以此即時上傳，并將計算機的反饋數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)娇纱┐髟O(shè)備。如果有可能，可以通過電信號傳輸進入人體的神經(jīng)系統(tǒng)，產(chǎn)生感覺但是并不會產(chǎn)生實際傷害。并且根據(jù)需要模擬的不同環(huán)境，佩戴不同部位的可穿戴設(shè)備。用于醫(yī)療方面的大多數(shù)可以僅佩戴手部手套，用于體育訓(xùn)練以及軍事需佩戴手部、肘部、膝蓋以及腳部等部位的可穿戴設(shè)備等。

3.3 沉浸感的提高

對于虛擬世界的真實度應(yīng)該要高，否則兩個不同的環(huán)境很難達到訓(xùn)練的目的。而提高沉浸感的要求又大致有以下幾點：提高圖像真實感；提高物理環(huán)境真實感；提高操作的即時性，協(xié)調(diào)性與真實感[3]。第三點已在前面設(shè)計過了。對于平面圖像，當(dāng)下技術(shù)已可以做到很清晰與真實。但是對于模擬出一個三維的世界就很困難。如果是一個現(xiàn)實世界中存在的環(huán)境，可以在當(dāng)前環(huán)境中選取一個原點，將四周的圖像記錄下來，并對每一個物體取一個水平面坐標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，將一個高度坐標(biāo)輸入至每一個平面坐標(biāo)中。而對于任意一個物體，可以先建立一個模型，將其大致形狀設(shè)計出來，再用游戲中的思路，用一種俗稱為“空氣墻”的設(shè)計填充進去，再對這個物體的行為進行設(shè)計，在滿足運動規(guī)律，物理規(guī)律的前提下，盡可能地設(shè)計出這個生物的習(xí)性，在這些完成之后，大致就形成了一個世界。而對于一個現(xiàn)實世界中不對應(yīng)存在的環(huán)境，可以使用一個現(xiàn)實環(huán)境，而在物理規(guī)律和運動規(guī)律上模擬出那個世界。

而對于物理規(guī)律，可以將使用者視為一個“物體”，普通物體的質(zhì)量通過數(shù)據(jù)直接輸入，使用者則通過腳部的可穿戴設(shè)備上的壓力感受位點得出的數(shù)據(jù)輸入。任何物體在進行運動時，時刻都要進行物理量的運算，并得出力，速度等，對于使用者則需要計算機將得出的物理量傳輸?shù)娇纱┐髟O(shè)備，并對使用者產(chǎn)生作用，以此提高真實感。

4 結(jié)論

本文簡述了虛擬操作技術(shù)的意義、研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀以及其實現(xiàn)的方式。虛擬操作技術(shù)是VR技術(shù)在實際工程領(lǐng)域的應(yīng)用方向，在現(xiàn)今的大背景之下，一定會在不久的將來得到更為廣泛的應(yīng)用。