淺析虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

張蕓強，錢坤，李煥良

（陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

虛擬現(xiàn)實是由多門學(xué)科交叉而形成的新興領(lǐng)域，其核心是構(gòu)建數(shù)字化環(huán)境，并讓體驗者可以借助某些特殊的設(shè)備和數(shù)字環(huán)境中的對象進行交互，使得體驗者產(chǎn)生真實的感覺，它主要研究領(lǐng)域包括數(shù)據(jù)獲取、分析建模、繪制呈現(xiàn)、傳感交互四個方面。隨著計算機算力不斷地提高、計算機圖形學(xué)不斷的發(fā)展、人機交互等技術(shù)不斷的迭代更新，加上人工智能、云計算、邊緣計算、5G等技術(shù)的輔助加持，現(xiàn)階段的虛擬現(xiàn)實技術(shù)正處于一個高速發(fā)展的時期。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有顛覆性，它改變了人們體驗虛擬世界的方式。人們不再局限于二維顯示，而是通過三維顯示來感受虛擬世界，體驗的真實感有了極大提升；交互方式也有了極大的改變，過去主要以鍵鼠方式進行信號輸入，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)則通過手勢捕捉、眼球追蹤等技術(shù)手段捕捉體驗者自然形體動作，分析判斷其意圖并產(chǎn)生相應(yīng)交互，從而實現(xiàn)自然交互方式；同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也將人們的視野極大地拓展，過去由于屏幕限制，可看視角極其有限，現(xiàn)在人們不僅可以體驗到360度全景顯示，而且顯示的畫面也會和人們的行動產(chǎn)生聯(lián)動；虛擬現(xiàn)實技術(shù)的顛覆性還在于其便攜性，如今虛擬現(xiàn)實技術(shù)的生產(chǎn)廠商都在致力于可穿戴設(shè)備的研究，在未來這一類設(shè)備勢必會“無感化”。

1 虛擬現(xiàn)實的概述

虛擬現(xiàn)實英文名稱Virtual Reality，縮寫為VR，又稱靈境技術(shù)，是指以計算機技術(shù)為核心、結(jié)合人工智能、光學(xué)、運動學(xué)等相關(guān)技術(shù)，借助一些特定的交互、運算和顯示設(shè)備，生成逼真的、具有視覺、聽覺和觸覺的虛擬環(huán)境，用戶在虛擬環(huán)境里與虛擬物體進行實時交互，使用戶沉浸其中，并產(chǎn)生身臨其境的感官體驗。虛擬環(huán)境是由計算機運算、模擬出來的色彩鮮明的立體視景，它可以是某一真實世界的再現(xiàn)，也可以是基于真實世界的一種改變，甚至是純粹構(gòu)想出來的虛擬世界。

虛擬現(xiàn)實具有調(diào)沉浸性、交互性和想象性等3個方面特性。沉浸性是指用戶借助顯示、音效等設(shè)備將自己的視覺完全融入計算機營造的虛擬環(huán)境，用戶感覺自己已成為虛擬環(huán)境的一個組成部分，從而從被動的觀察者變成了主動的參與者。虛擬現(xiàn)實注重人與虛擬世界之間通過自然方式進行交互。即人通過借助數(shù)據(jù)手套、力反饋器等一些特殊的交互設(shè)備與虛擬世界進行交互，如用手抓取虛擬世界的物體，會感覺與真實世界抓取物體一樣具有重量、外形等感知，人甚至?xí)雎杂嬎銠C的存在。想象性是指虛擬環(huán)境是由人憑空想象出來的，這些想象出來的虛擬環(huán)境體現(xiàn)出設(shè)計者一定的實現(xiàn)目標(biāo)及思想。

2 虛擬現(xiàn)實的發(fā)展史

虛擬現(xiàn)實的起源最早可以追溯到20世紀(jì)60年代，Sensorama仿真模擬器的誕生，如圖1所示。它是由被譽為虛擬現(xiàn)實之父的Morton Heilig發(fā)明，此模擬器集成了3D顯示器、風(fēng)扇、氣味發(fā)生器、振動椅等，可以刺激用戶視覺、聽覺等多個感官系統(tǒng)。Sensorama是一個虛擬現(xiàn)實下的原型機，只能播放事先拍好的視頻，用戶只能被動的接受，缺乏人機之間的互動。后來，虛擬現(xiàn)實經(jīng)歷了幾十年的蟄伏期，雖然陸續(xù)有些改進的產(chǎn)品誕生，但是，人們對于這類產(chǎn)品并沒有明確清晰的定義。1989年，美國的Jaron Lanier首次提出了虛擬現(xiàn)實的概念，并隨后他所在的VPL公司開發(fā)出傳感手套“DataGloves”和頭顯設(shè)備“EyePhoncs”，才讓虛擬現(xiàn)實作為一個較為完整的體系被人們極大關(guān)注，隨后，虛擬現(xiàn)實便進入了高速發(fā)展的時期。

圖1 Sensorama仿真模擬器

進入20世紀(jì)90年代，虛擬現(xiàn)實逐步開始走向成熟，在隨后的10多年里，日本的任天堂公司推出“虛擬男孩”虛擬現(xiàn)實游戲，其他公司也紛紛效仿開發(fā)關(guān)于虛擬現(xiàn)實的產(chǎn)品，但由于高昂的售價和簡陋的性能，為之付錢的人少之又少，所以這些產(chǎn)品讓虛擬現(xiàn)實一直流離在大眾視野之外，未能掀起大的波瀾。2012年，Oculus公司在Kickstarter網(wǎng)站上籌得250萬美元，并隨后的幾年里不斷推出虛擬現(xiàn)實設(shè)備，同時也將虛擬現(xiàn)實設(shè)備的價錢降到了300美元，這讓很多人有能力購買，虛擬現(xiàn)實設(shè)備逐漸進入大眾視野。2014年，谷歌公司發(fā)布 Google CardBoard，三星發(fā)布了GearVR，另外，蘋果、索尼等也相繼發(fā)布了虛擬現(xiàn)實設(shè)備。這時的虛擬現(xiàn)實已經(jīng)成功走向了商業(yè)化，越來越多的人也意識到它的廣闊前景，虛擬現(xiàn)實向不同行業(yè)、領(lǐng)域滲透。

3 虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用

隨著虛擬現(xiàn)實不斷的普及，其應(yīng)用也逐步地涉及各個行業(yè)、領(lǐng)域中。在教育中，教育者利用諸如虛擬實驗室、虛擬課堂等虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供給受教育者一個更加直觀、能呈現(xiàn)多維信息的教學(xué)模式；在建筑行業(yè)中，虛擬現(xiàn)實被大量應(yīng)用在建筑設(shè)計的階段，將復(fù)雜的建筑圖紙以一種直觀形式呈現(xiàn)，設(shè)計者還可以和虛擬建筑進行諸如行走、操作設(shè)備、改變裝飾等交互，讓設(shè)計者更加容易發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足；在軍事領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實被廣泛運用尤其是軍事訓(xùn)練等方面，其優(yōu)勢在于它可以有效地規(guī)避軍事訓(xùn)練中伴隨的危險，并且虛擬軍事演習(xí)也可以減少真實演習(xí)所帶來的軍費開支。由于虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的領(lǐng)域過于繁多，以下只對虛擬維修訓(xùn)練這一包含教育、軍事、航天等多個領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用作詳細(xì)闡述。

虛擬維修訓(xùn)練是虛擬現(xiàn)實應(yīng)用重要的應(yīng)用領(lǐng)域，最早由美國在20世紀(jì)90年代提出，隨后得到快速發(fā)展，許多國家的軍方、科研機構(gòu)和企業(yè)都高度重視，將其視為作為大型、復(fù)雜、先進裝備的維修保障手段進行研究。基于虛擬現(xiàn)實，搭建以計算機及相應(yīng)的軟硬設(shè)備為交互平臺，并以維修訓(xùn)練為目的的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，可以為部隊裝備提供一個“實地的”“實時的”“實裝的”新興訓(xùn)練手段。由于這項技術(shù)是開放的，開發(fā)人員可以根據(jù)具體訓(xùn)練要求實時調(diào)整虛擬維修方案或者內(nèi)容，這也就意味著它可以不斷地更新，以長期發(fā)展的角度來看，具有極大的經(jīng)濟效益和良好的實時性。

基于上述優(yōu)勢和應(yīng)用前景，虛擬維修技術(shù)在航空航天、大型武器裝備上的研究和應(yīng)用較多。20世紀(jì)90年代初，美國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)哈勃望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)存在問題，其生成的圖像有變形的缺陷。由于問題的特殊性，操作人員無法直接在現(xiàn)實情況下進行維修訓(xùn)練，美國航天局（NASA）決定采用新型維修訓(xùn)練方式，如圖2所示。

圖2 哈勃望遠(yuǎn)鏡（HST）的修復(fù)與維護

通過虛擬仿真哈勃望遠(yuǎn)鏡在太空中的運行環(huán)境，宇航員可以像在真實的太空里一樣，對哈勃望遠(yuǎn)鏡實裝模型進行維修，熟悉操作流程，學(xué)習(xí)應(yīng)對各種可能的突發(fā)狀況，完成各種模擬的維修任務(wù)。從1993年9月到1993年12月，有100多名宇航員參加了哈勃望遠(yuǎn)鏡的維修任務(wù)訓(xùn)練，取得了巨大成功。這一任務(wù)的完成，說明虛擬維修訓(xùn)練對裝備維修任務(wù)的完成是非常有效的，讓各國看到了虛擬維修技術(shù)在高、新、尖裝備上的運用，促使各國加大對虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的研究，使得該技術(shù)在航天航空、艦船、車輛等設(shè)備上有運用。

美國、德國、日本諸多大學(xué)和研究所，先后在虛擬維修技術(shù)研究上投入大量人力、物力開展研究，許多相關(guān)技術(shù)及設(shè)備已趨近成熟。例如，美國弗吉尼亞大學(xué)針對機械維修零件拆卸問題進行了研究，引入蟻群算法、序列矩陣等方法進行機械零部件拆卸分解解算，優(yōu)化計算機虛擬拆卸路徑，使得操作步驟最優(yōu)、最少。日本的Osaka大學(xué)研究中心研究的機械裝配可視化技術(shù)，通過光學(xué)捕捉和視覺識別，可以在使用者進行機械裝配過程時，提供虛擬裝配過程，已進行裝配準(zhǔn)確性比對，可用于機械裝配操作訓(xùn)練和評價。在國內(nèi)，虛擬維修技術(shù)的獨特優(yōu)勢已引起政府部門、企業(yè)、高校的高度關(guān)注。許多高校已將相關(guān)內(nèi)容納入教學(xué)課程，面向職業(yè)教育、醫(yī)療、車輛、船艇、飛機、武器裝備的各類使虛擬維修應(yīng)用系統(tǒng)層出不窮。2013年開始，教育部在全國范圍內(nèi)開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心和仿真實驗項目建設(shè)，已先后投入建設(shè)300余個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，各省教育廳也建設(shè)了一批省級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，有效推動了虛擬維修技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展和應(yīng)用。

4 發(fā)展趨勢

近幾年，教育部提出實施一流課程建設(shè)“雙萬計劃”，即“金課建設(shè)”計劃，致力于建設(shè)五大類型“金課”，虛擬仿真技術(shù)就是其中一個重要類型，而作為虛擬仿真技術(shù)的重要分支，虛擬現(xiàn)實技術(shù)充分體現(xiàn)了“智能+教育”的新教育理念，勢必在未來的“金課”建設(shè)進程中起到舉足輕重的作用，也將成為“金課”建設(shè)的主流發(fā)展趨勢。