虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來展望

摘要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種綜合多種科學(xué)技術(shù)的計算機(jī)領(lǐng)域新技術(shù),是國內(nèi)外計算機(jī)仿真應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，涉及眾多發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域，極大地豐富了我們的生活。本文針對虛擬現(xiàn)實的歷史、發(fā)展、應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了必要的概述,同時就作者近期的工作做了介紹以及對虛擬現(xiàn)實未來發(fā)展方向做了初步的展望.

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實；交互技術(shù)； 虛擬環(huán)境

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)18-20ppp-0c

The Application of Virtual Reality Technology Status and Future Prospects

SHU Jian-hua

(School of Software Engineering Tongji University, Master, Shanghai,China,200000)

Abstract:The Virtual reality technology as a comprehensive variety of computer science and technology in the field of new technologies, It is the application of domestic and international hot spots, many involving the development and application areas, greatly enrich our lives. In this paper, the history of virtual reality, development and application of a need for an overview at the same time the author on the recent work done on virtual reality and the future direction of giving us some ideas about the future development of virtual reality technology.

Key words: Virtual reality; Interactive technology; virtual environment

1 引言

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,VR)技術(shù)，又稱“靈境技術(shù)”、“虛擬環(huán)境”、“賽伯空間”、“模擬實境”、“虛擬實境”、“仿真技術(shù)”等，是在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)（如計算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與識別、計算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、實時分布處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、多媒體技術(shù)、多傳感器技術(shù)和人的行為學(xué)研究等）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門交叉科學(xué)技術(shù)。其特點(diǎn)以計算機(jī)技術(shù)為主，利用計算機(jī)等設(shè)備創(chuàng)造一個視聽感受逼真的三維虛擬環(huán)境，該環(huán)境是人工虛構(gòu)的，在這個虛構(gòu)的環(huán)境中能實現(xiàn)與現(xiàn)實相同的感受，可以利用它觀察周圍世界，可以與虛擬世界進(jìn)行人機(jī)互動等，大大加速了人機(jī)互動技術(shù)的發(fā)展。VR技術(shù)的出現(xiàn)，為人機(jī)交互界面的發(fā)展開創(chuàng)了新的研究平臺，為智能工程提供了新的界面工具，為裝置藝術(shù)可視化發(fā)展提供了新的展示空間。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展概述

VR的發(fā)展概括起來大致為三個階段：20世紀(jì)50年代到70年代，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的探索階段；80年代前中期，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)從實驗室走向?qū)嵱玫碾A段；80年代末到21世紀(jì)初，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)快速發(fā)展時期。

1965年“虛擬現(xiàn)實技術(shù)之父” Lvan Sutherland博士在《終極的顯示》的論文中首次提出了具有交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，隨后幾年又展開了頭盔式顯示器(HMD)的研制工作，取得了顯著的成績，因此這一理論影響至今。在第一個HMD的樣機(jī)完成不久，研制者又把能模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個系統(tǒng)中。1970年，出現(xiàn)了第一個功能較齊全的HMD系統(tǒng)。

基于從60年代以來所取得的一系列成就，美國的JaronLanier在上世紀(jì)80年代正式提出了“VirtualReality”一詞。美國宇航局(NASA)及美國國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，并取得了令人矚目的研究成果，從而引起了人們對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛關(guān)注。隨后開發(fā)出用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器，將火星探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。到了90年代，計算機(jī)硬件技術(shù)與軟件系統(tǒng)極大的推動虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，加速了大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖象的實時動畫制作的發(fā)展。1993年11月，宇航員利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)成功地完成了從航天飛機(jī)的運(yùn)輸艙內(nèi)取出新的望遠(yuǎn)鏡面板的工作，用VR技術(shù)設(shè)計出由300萬個零件組成的波音777飛機(jī)；1996年10月31日，世界第一個虛擬現(xiàn)實技術(shù)博覽會在倫敦舉行；同年12月，世界第一個虛擬現(xiàn)實環(huán)球網(wǎng)在英國投入運(yùn)行；進(jìn)入21世紀(jì)后，虛擬技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，世界最大的虛擬現(xiàn)實技術(shù)軟件公司之一的英國“超景”公司總裁深刻地認(rèn)識到虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)生，是因特網(wǎng)繼文字時代后的又一次飛躍，有著巨大潛力和發(fā)展空間，應(yīng)用前景不可估量；因此組織開發(fā)出在電腦屏幕可以游覽的“超級城市”立體圖像，真實模擬人們生活場景等等。隨著因特網(wǎng)傳輸速度的加快，VR技術(shù)也趨于成熟，這種網(wǎng)絡(luò)將廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計、教育、醫(yī)療、軍事、娛樂等領(lǐng)域。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 軍事與航空航天

虛擬現(xiàn)實的技術(shù)根源可以追隨到軍事領(lǐng)域，軍事應(yīng)用是推動虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的主要力量，是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域。模擬訓(xùn)練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個重要課題，這為VR提供了廣闊的應(yīng)用前景。海灣戰(zhàn)爭的美國士兵對周邊的環(huán)境不覺得陌生，是由于虛擬現(xiàn)實已把他們帶入那漫無邊際的風(fēng)塵黃沙，讓他們“身臨其境”感受到大漠的荒涼。美國國防部先進(jìn)研究課題局(DARPA)自80年代初起一直致力于研究稱為SIMNET的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)，這個課題結(jié)果產(chǎn)生了仿真網(wǎng)絡(luò)，連到美國和德國200多個坦克仿真器。在航空航天方面，宇航員利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進(jìn)行各種訓(xùn)練，美國航空航天局計劃將虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)用于國際空間站組裝、訓(xùn)練等工作。

3.2 醫(yī)學(xué)方面

虛擬人體在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用十分重要。借助于跟蹤球、HMD、感覺手套探索工具，可以很容易了解人體內(nèi)部器官結(jié)構(gòu)，經(jīng)過3D可視化，可以更好的展示人體各器官和組織且還可以進(jìn)行功能性的演藝。Pieper和Satara等研究者在90年代基于兩個SGI工作站建立了一個虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器，用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺與手術(shù)燈，虛擬的外科工具，虛擬的人體模型和器官等。借助于HMD及感覺手套，使用者可以對虛擬的人體模型進(jìn)行手術(shù)。另外，對于危急病人，還可以實施遠(yuǎn)程手術(shù)。在遠(yuǎn)程遙控外科手術(shù)、復(fù)雜手術(shù)的計劃安排、手術(shù)過程的信息指導(dǎo)、手術(shù)后果預(yù)測及改善殘疾人生恬狀況，新型藥物的研制等，VR技術(shù)都有十分重要的意義。

3.3 工程管理

VR在工程管理方面也顯示出無與倫比的優(yōu)越性。設(shè)計新型建筑物時，可以在動工之前用VR技術(shù)顯示建筑物，為安全生產(chǎn)和管理工程奠定基礎(chǔ)；當(dāng)財政發(fā)生危機(jī)時，可以幫助其分析股票、債券等方面的數(shù)據(jù)分析以找到最佳的處理對策等等。

3.4 建筑設(shè)計與城市規(guī)劃設(shè)計

德國是運(yùn)用VR技術(shù)在建筑設(shè)計最早的行業(yè)。自1991年起，德國多家研究所和公司探索和研究交互效果的“虛擬設(shè)計”。當(dāng)時城市規(guī)劃、工程建筑設(shè)計的輔助開發(fā)工具就在全力使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，把虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為其規(guī)劃的視覺依據(jù)。浙江大學(xué)CAD&CG國家重點(diǎn)實驗室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑實時漫游系統(tǒng)，實現(xiàn)了立體視覺，還提供了方便的交互工具，整個系統(tǒng)的實時性和畫面的真實感處于全國領(lǐng)先水平。

3.5 娛樂、藝術(shù)與教育領(lǐng)域

豐富的感覺能力與3D顯示環(huán)境使得VR成為理想的視頻游戲娛樂工具。英國開發(fā)了一款游戲系統(tǒng)——“Virtuality”，配有HMD，大大提高了真實感；Chicago（芝加哥）開放了世界上第一臺大型可供多人使用的VR娛樂系統(tǒng)，其相關(guān)主題為3025年的一場未來戰(zhàn)爭； 1992年開發(fā)的稱為“Legeal Qust”的系統(tǒng)由于增加了人工智能功能，使計算機(jī)具備了學(xué)習(xí)功能，大大增強(qiáng)了趣味性及難度，因此該系統(tǒng)獲得了當(dāng)年的VR產(chǎn)品獎。

隨著數(shù)字媒體的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在藝術(shù)方面發(fā)揮的作用不可估量。豐富了藝術(shù)的表現(xiàn)形式，強(qiáng)化了藝術(shù)表現(xiàn)力；手足不便的人可以在居室中去虛擬音樂廳欣賞音樂會，可以足不出戶在家觀看電子博物館；另外，數(shù)字化的文化遺產(chǎn)也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用方向之一，對文化遺產(chǎn)的保護(hù)與復(fù)原發(fā)揮很大的意義，可以利用VR技術(shù)漫游世界古跡，感受古代戰(zhàn)場，還原古跡原貌。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的普及，在教育方面出現(xiàn)了虛擬校園、虛擬課堂、遠(yuǎn)程教育等。中國浙江大學(xué)研制開發(fā)了基于人物的電子學(xué)習(xí)環(huán)境(ELVIS)，用來輔助9-12歲小學(xué)生進(jìn)行故事創(chuàng)作。中國科技大學(xué)運(yùn)用VR技術(shù)開發(fā)了第一套基于虛擬現(xiàn)實的教學(xué)軟件，豐富了教學(xué)環(huán)境。

4 我們的工作

在傳統(tǒng)的人與計算機(jī)系統(tǒng)中，用戶是一個外部的觀察者，只是通過顯示屏有限的小窗口，觀察計算機(jī)內(nèi)的合成環(huán)境。傳統(tǒng)的人機(jī)交互最常用的設(shè)備是鍵盤和鼠標(biāo)，人們通過它們與合成環(huán)境中的物體進(jìn)行交互，這與我們現(xiàn)實世界中的通訊方式相差甚遠(yuǎn)?；友b置技術(shù)主要是通過計算機(jī)硬件及軟件程序平臺、自動化等技術(shù)結(jié)合計算機(jī)輸入、輸出設(shè)備和一些表現(xiàn)性的綜合材料來表現(xiàn)藝術(shù)，其最大特點(diǎn)就是參與者能與虛擬環(huán)境進(jìn)行自然的交互，能用人類自然的技能與感知能力與虛擬世界中的對象進(jìn)行交互作用。針對目前整個業(yè)界的發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合我國VR技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)實以及應(yīng)用需求的實際情況，作者認(rèn)為我們尚有很大的可研發(fā)空間，然而就目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理論及文字性的材料有限，在一些大型展覽中，其作品卻越來越多，鑒于它的發(fā)展及技術(shù)研究，作者從互動裝置藝術(shù)的虛擬性方法入手，結(jié)合實踐對它進(jìn)行了規(guī)類、劃分和技術(shù)應(yīng)用，打破傳統(tǒng)的單一的靜態(tài)裝置，為業(yè)界對它的研究作一些理論性和實踐鋪墊。針對大型場合控制系統(tǒng)，其可控性和可觀性都存在許多困難，最重要的問題就是虛擬現(xiàn)實計算空間與人的認(rèn)知空間中的多維信息映射算法的構(gòu)造和實現(xiàn)，在這方面的研究主要應(yīng)該在新型材料微型傳感器開發(fā)設(shè)計，新型裝置的設(shè)計，建立一套科學(xué)的觸覺力覺設(shè)備實驗環(huán)境和評估標(biāo)準(zhǔn)，包括各項該類裝置設(shè)計和實用評估指標(biāo)?；友b置未來市場空間很大，有待于我們繼續(xù)開發(fā)和應(yīng)用更廣闊的領(lǐng)域。

5 展望

VR 技術(shù)的實質(zhì)是構(gòu)建一種人為的能與之進(jìn)行自由交互的“世界”，在這個“世界”中參與者可以實時地探索或移動其中的對象。沉浸式虛擬現(xiàn)實是最理想的追求目標(biāo)， 實現(xiàn)的方式主要是戴上特制的頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套以及身體部位跟蹤器， 通過聽覺、觸覺和視覺在虛擬場景中進(jìn)行體驗?？梢灶A(yù)測短期內(nèi)游戲玩家可以戴上頭盔身著游戲?qū)Ｓ靡路笆痔渍嬲w驗身臨其境的“虛擬現(xiàn)實”游戲空間，它的出現(xiàn)將淘汰現(xiàn)有的各種大型游戲，推動科技的發(fā)展?？v觀VR的發(fā)展歷程， 未來VR技術(shù)的研究仍將延續(xù)“低成本、高性能”原則， 從軟件、硬件兩方面展開，發(fā)展方向主要?dú)w納如下：

（1）動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。虛擬環(huán)境的建立是VR 技術(shù)的核心內(nèi)容，動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

（2）實時三維圖形生成和顯示技術(shù)。三維圖形的生成技術(shù)已比較成熟， 而關(guān)鍵是怎樣“實時生成”，在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上， 如何提高刷新頻率將是今后重要的研究內(nèi)容。此外，VR還依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展， 現(xiàn)有的虛擬設(shè)備還不能滿足系統(tǒng)的需要， 有必要開發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術(shù)。

（3）新型交互設(shè)備的研制。虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)人能夠自由與虛擬世界對象進(jìn)行交互， 猶如身臨其境，借助的輸入輸出設(shè)備主要有頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、三維位置傳感器和三維聲音產(chǎn)生器等。因此， 新型、便宜、魯棒性優(yōu)良的數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)服將成為未來研究的重要方向。

（4）智能化語音虛擬現(xiàn)實建模。虛擬現(xiàn)實建模是一個比較繁復(fù)的過程，需要大量的時間和精力。如果將VR 技術(shù)與智能技術(shù)、語音識別技術(shù)結(jié)合起來， 可以很好地解決這個問題。我們對模型的屬性、方法和一般特點(diǎn)的描述通過語音識別技術(shù)轉(zhuǎn)化成建模所需的數(shù)據(jù)，然后利用計算機(jī)的圖形處理技術(shù)和人工智能技術(shù)進(jìn)行設(shè)計、導(dǎo)航以及評價， 將模型用對象表示出來， 并且將各種基本模型靜態(tài)或動態(tài)地連接起來， 最終形成系統(tǒng)模型。人工智能一直是業(yè)界的難題，人工智能在各個領(lǐng)域十分有用，在虛擬世界也大有用武之地，良好的人工智能系統(tǒng)對減少乏味的人工勞動具有非常積極的作用。

（5）分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的展望。分布式虛擬現(xiàn)實是今后虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的重要方向。隨著眾多DVE開發(fā)工具及其系統(tǒng)的出現(xiàn)，DVE本身的應(yīng)用也滲透到各行各業(yè)，包括醫(yī)療、工程、訓(xùn)練與教學(xué)以及協(xié)同設(shè)計。仿真訓(xùn)練和教學(xué)訓(xùn)練是DVE的又一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域，包括虛擬戰(zhàn)場、輔助教學(xué)等。另外，研究人員還用DVE系統(tǒng)來支持協(xié)同設(shè)計工作。近年來，隨著Internet應(yīng)用的普及，一些面向Internet的DVE應(yīng)用使得位于世界各地多個用戶可以進(jìn)行協(xié)同工作。將分散的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)或仿真器通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)起來， 采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫，形成一個在時間和空間上互相耦合的虛擬合成環(huán)境， 參與者可自由地進(jìn)行交互作用。特別是在航空航天中應(yīng)用價值極為明顯，因為國際空間站的參與國分布在世界不同區(qū)域，分布式VR訓(xùn)練環(huán)境不需要在各國重建仿真系統(tǒng)， 這樣不僅減少了研制費(fèi)和設(shè)備費(fèi)用，減少了人員出差的費(fèi)用以及異地生活的不適。

近幾十年來，通信技術(shù)、計算機(jī)的同步發(fā)展和相互促進(jìn)成為世界上信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的主要特征。特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速崛起與普及，使得信息應(yīng)用系統(tǒng)在深度和廣度上發(fā)生了質(zhì)的變化。虛擬現(xiàn)實主要依靠人機(jī)交互的發(fā)展，目前技術(shù)上已初步解決人腦數(shù)據(jù)的讀取，在不久的將來，開發(fā)者將完全解決通過神經(jīng)系統(tǒng)自動進(jìn)入虛擬現(xiàn)實環(huán)境的“人腦——計算機(jī)接口”問題，通過對人腦提取和反饋神經(jīng)信號使人完全融入“虛擬現(xiàn)實”世界。當(dāng)然從技術(shù)角度，我們應(yīng)該對基于多用戶虛擬環(huán)境進(jìn)行必要的技術(shù)研究。因為將來的VR技術(shù)將越來越重視人在其中的交互。虛擬現(xiàn)實充滿活力、具有無限的應(yīng)用前景的高新技術(shù)領(lǐng)域，但仍然存在許多有待解決與突破的問題。為了提高系統(tǒng)的交互性、逼真性和沉侵性，在新型傳感和感知肌理、幾何與建模新方法、高性能計算，特別是高速圖形圖像處理，以及人工智能、心理學(xué)、社會學(xué)等方面都有許多具有挑戰(zhàn)性的問題有待我們進(jìn)一步解決。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛大維.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與分析[J].交通科技與經(jīng)濟(jì),2006,8(4).

[2] 韓曉玲.虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展趨向淺析[J].電腦知識與技術(shù),2007(2).

[3] 胡小強(qiáng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].北京郵電大學(xué)出版社,2005.

[4] 張占龍,羅辭勇,何為.虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述[J].計算機(jī)仿真,2005,22(3):1-3.

[5] 姜學(xué)智,李忠華.國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2004,23(2):238-240.

[7] 蔣慶全. 國外VR技術(shù)發(fā)展綜述[J].飛航導(dǎo)彈,2002,(1):27-34.

[8] 周前祥,姜世忠,姜國華.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].計算機(jī)仿真,2003,20(7):1-4.

[9] 何毅兵.21世紀(jì)初的虛擬現(xiàn)實[J].湖北工學(xué)院學(xué)報_2000.15(2):35-38

[10] 王紅兵.虛擬現(xiàn)實技術(shù)——回顧與展望[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2001(01):48-51.

[11] 王志新,張華,黎永明.虛擬技術(shù)及其應(yīng)用[J].上海理工大學(xué)學(xué)報,1998,20(1).

[13] How Virtual Reality Works[M].Joshua Eddings,1994.

[14] Web3D,Virtual Reality Modeling Language[S].International Standard ISO/IEC14772-1:1997.

收稿日期：2008-04-13

作者簡介：舒建華（1978-），男，湖南懷化人，助教，中國礦業(yè)大學(xué)從事研究與教學(xué)工作，同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院研究生在讀 ，主要研究方向：圖形學(xué)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)，數(shù)字媒體視覺設(shè)計，藝術(shù)設(shè)計等。