淺談虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展及應用

胡章榮 西華師范大學教育信息技術中心

1 虛擬現(xiàn)實的概念

虛擬現(xiàn)實技術是以計算機技術為平臺，利用并綜合三維圖像技術、多媒體技術、仿真技術、傳感器技術、顯示技術、伺服技術等多種高科技最新成果。利用計算機等多種設備為人類創(chuàng)建一個虛擬空間，在這個虛擬空間里，用戶可以跟任何事物進行自然交互，并向參與者傳導視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、導航漫游等身臨其境的感受，使參與者能夠與虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的三維實體進行交互和感知，親身體驗在虛擬現(xiàn)實世界遨游的神秘、浩瀚感受。

2 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展

VR的最早起源于19世紀起的360°壁畫和全景圖，通過繪畫填充觀看者的整個視野，使他們感受到一些歷史事件或場景。在1838年，Charles Wheatstone利用雙目視差原理發(fā)明出了可以看出立體畫面的立體鏡，通過立體鏡觀察兩個并排的立體圖像或照片給用戶提供縱深感和沉浸感。1849年David Brewster以凸透鏡取代立體鏡中的鏡子發(fā)明了改良型的立體鏡，而且立體鏡的設計原理也應用于當今較為流行的3D立體視覺模擬技術和低廉的VR頭戴式顯示器，它們都是通過計算機技術和顯示成像技術對左右眼分別提供一組視角不同的畫面來營造出雙目視差的環(huán)境，從而讓人感覺到立體畫面。1929年，Edward Link發(fā)明了歷史上第一個純機電的商業(yè)飛行模擬器，它由連接到方向舵和轉(zhuǎn)向柱的電動機控制，以修改俯仰和滾轉(zhuǎn)。1960年Morton Heilig 發(fā)明了第一個VR頭戴式顯示器，它給觀眾帶來完全真實的感覺，比如移動彩色三維圖像、沉浸其中的視角、立體的聲音、氣味和空氣流動的感覺。第二年，工程師Comeau和Bryan開發(fā)了第一個HMD的前驅(qū)物—Headsight，盡管Headsight缺乏計算機和圖像生成的集成，但它仍是VR頭戴式顯示器演變的第一步。1965年，計算機圖形學之父和虛擬現(xiàn)實之父Ivan Sutherland發(fā)表了一篇題為“Ultimate Display”的論文，文章指出，應該將計算機顯示屏幕作為“一個觀察虛擬世界的窗口”，計算機系統(tǒng)能夠使該窗口中的景象、聲音、事件和行為非常逼真。1968年，Ivan和他的學生Bob Sproull創(chuàng)建了第一款連接到計算機而不是相機的VR/AR頭戴顯示器, 被稱為“達摩克利斯之劍”。1969美國計算機藝術家、互動藝術家從事了許多計算機互動的工作，其中包括GlowFlow。GlowFlow是一個由計算機控制，以人響應作為輸入的環(huán)境，是早期虛擬現(xiàn)實環(huán)境原型。1987年美國VPL公司研發(fā)出了一系列虛擬現(xiàn)實設備，包括Dataglove和EyePhone頭戴式顯示器和手套，其創(chuàng)建人Jaron Lanier提出了VR概念。

3 虛擬現(xiàn)實的特征

模擬出真實空間，讓用戶沉浸其中，并與環(huán)境自然交互，激發(fā)用戶想象，尋求問題解決方案是虛擬現(xiàn)實的主要功能之一。虛擬現(xiàn)實只有同時具備沉浸性、交互性和想像性才能讓用戶體驗更真實的感受。(1)沉浸性,虛擬現(xiàn)實最主要的特征就是讓用戶感覺就像置身于真實世界中一樣，并可以通過視覺感知，聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知、味覺感知、嗅覺感知等感知系統(tǒng)與虛擬世界中的情景進行自然交互。理想的虛擬環(huán)境足以以假亂真，達到難以辨別真假的程度，甚至超越真實，實現(xiàn)比現(xiàn)實更逼真的照明和音響效果。(2)交互性,用戶可以借助VR系統(tǒng)中的特殊設備（如數(shù)據(jù)手套、虛擬現(xiàn)實頭戴式顯示設備等）使參與者能夠與虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的三維實體進行交互和感知，親身體驗在虛擬現(xiàn)實世界遨游的神秘、浩瀚感受。與過去通過鼠標、鍵盤等手工方式與計算機系統(tǒng)進行交互相比而言，在VR中，用戶完全沉浸在虛擬世界中，無法感知計算機的存在，用戶的一些自然的動作，如腳的走動、頭的轉(zhuǎn)動、手的移動等，都會通過傳感器傳導給VR系統(tǒng)，做出實時響應。(3)想像性,VR不僅僅是一個交互窗口或交互界面，同時它還是為解決生活中的實際問題而由開發(fā)者設計出來的應用軟件。是為發(fā)揮設計者想象和創(chuàng)新性而設計的，為人類認識世界提供的一種全新的方法和手段，可以使人類跨越時間與空間，去經(jīng)歷和體驗世界上早已發(fā)生或尚未發(fā)生的事件；也可以模擬因條件限制等原因而難以實現(xiàn)的事情。

4 VR的應用

目前虛擬現(xiàn)實技術的應用面較廣，涉及軍事、航空、教育、建筑、醫(yī)學、工業(yè)、文化、藝術與娛樂等領域。

4.1 VR在應急推演

對于一些具有一定危險性的行業(yè)，如消防、電力、石油、礦產(chǎn)、航空、軍事等，為了在事故發(fā)生時將損失降到最低，就會對各種設備的運行情況及災難發(fā)生時的情景進行定期推演。但這種推演會耗費大量的人力、物力和財力，不能頻繁進行。虛擬現(xiàn)實的出現(xiàn)為應急演練提供了一種全新的方式，將現(xiàn)實環(huán)境模擬到虛擬場景中去，人為制造各種事故，安排人員對事故做出正確的反應。降低演練成本，提高演練頻率，使演練不受時間和空間的限制，擴大演練范圍和人員數(shù)量，提高對災難的應對能力，減少災難造成的損失。

4.2 VR在醫(yī)學應用

VR在教學和醫(yī)療手術中具有重要意義。在虛環(huán)境模擬人體模型，借助于跟蹤球、HMD、感覺手套，學生可以很直觀了解人體內(nèi)部各器官結構，這比現(xiàn)有的采用教科書的方式要有效得多。在90年代初Pieper和Satara等人設計了一個用于腿部及腹部外科手術模擬的虛擬外科手術訓練器。并在這里虛擬了手術臺和手術燈，人體模型與器官，外科工具（如手術刀、注射器、手術鉗等）等。使用者可以借助HMD及感覺手套對虛擬的人體模型進行手術。為了打破空間限制，可以增加網(wǎng)絡功能，讓多個使用者在外地專家的指導下學習或協(xié)同工作。通過虛擬手術訓練器不僅可以提高使用者的技能，而且還能使醫(yī)療資源得到充分共享，降低醫(yī)療成本，提高醫(yī)術水平。

4.3 VR在游戲中的應用

游戲?qū)μ摂M現(xiàn)實技術的發(fā)展起了巨大的推動作用，電腦游戲自產(chǎn)生以來，一直都在朝著虛擬現(xiàn)實的方向發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展的最終目標已經(jīng)成為三維游戲工作者的崇高追求。雖然還有很對技術問題沒有解決，但在激烈的競爭中，越來越多的新技術得到了重視，并在游戲中得以應用。隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，游戲在保持其實時性和交互性的同時，逼真度和沉浸感方面正在一步步提高和加強，并已從最初的文字MUD游戲開始，經(jīng)歷二維游戲、三維游戲，發(fā)展到網(wǎng)絡三維游戲了。我們相信，隨著三維技術的快速發(fā)展和軟硬件技術的不斷進步，在不遠的將來，真正意義上的虛擬現(xiàn)實游戲必將為人類娛樂、教育和經(jīng)濟發(fā)展做出新的更大的貢獻。

5 結語

本文就虛擬現(xiàn)實技術（VR）的概念、特征、發(fā)展和主要應用領域進行了介紹，由此可知，VR作為當前及未來研究的熱門技術，可以被廣泛應用到生活中的各個領域，必將推動各領域的快速發(fā)展。