虛擬漫游系統(tǒng)中外設(shè)的應(yīng)用初探

王玉濤　郭　翔　吳文鐵

摘要：虛擬漫游是一項(xiàng)難度很大的綜合技術(shù)，要達(dá)到逼真的感覺和實(shí)時(shí)的自然交互是非常不容易的。這一方面不僅依賴于虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建、顯示和交互等技術(shù)的不斷改進(jìn)，同時(shí)虛擬外設(shè)的管理和使用在虛擬漫游中也有不可忽視的重要地位。當(dāng)前虛擬漫游中沉浸感的獲得很大程度上依賴于像頭盔、數(shù)據(jù)手套、跟蹤器等虛擬外設(shè)的使用。虛擬外設(shè)的使用很大程度上影響著虛擬漫游的仿真效果。本文就是通過在介紹虛擬漫游系統(tǒng)的基礎(chǔ)上來探索外設(shè)在其中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬漫游 外設(shè) 應(yīng)用

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality， VR）是一種能夠創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬環(huán)境的、由計(jì)算機(jī)生成的、給人多種感官刺激的高級(jí)人機(jī)交互系統(tǒng)。它的目的是用計(jì)算機(jī)來生成一個(gè)逼真的二維感覺世界，給觀眾以如同真實(shí)世界的體驗(yàn)。近幾年來，它已經(jīng)逐步走進(jìn)了人們的日常生活，無論是在游戲、廣告宣傳還是在建筑設(shè)計(jì)、軍事仿真等領(lǐng)域都顯現(xiàn)出強(qiáng)大魅力。特別是隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜場(chǎng)景的虛擬漫游現(xiàn)已成為可能，利用這一技術(shù)我們可以足不出戶游覽風(fēng)景勝地，可以在虛擬世界中任意漫游等。本文就是通過在介紹虛擬漫游系統(tǒng)的基礎(chǔ)上來探索外設(shè)在其中的應(yīng)用。

1 擬漫游系統(tǒng)的概念及功能

虛擬漫游系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)對(duì)真實(shí)世界的三維模擬，用戶可以通過一定的方式對(duì)模擬的場(chǎng)景進(jìn)行全方位的審視，并可在虛擬場(chǎng)中巡航漫游，從而達(dá)到觀察自然，欣賞景觀，了解實(shí)體的目的。用戶可從任意角度對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行觀察，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺。它的主要功能是實(shí)現(xiàn)客戶與虛擬場(chǎng)景的交互。

2 虛擬世界中常見的外部設(shè)備

虛擬現(xiàn)實(shí)漫游的目標(biāo)是由計(jì)算機(jī)生成虛擬世界，用戶能與之進(jìn)行視覺、聽覺、觸覺等全方位的交互，盡量使用戶能沉浸于虛擬世界中。而要達(dá)到這種效果，僅僅靠一些計(jì)算機(jī)的普通硬件設(shè)備是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這就需要一些特殊外部設(shè)備的支持?，F(xiàn)在虛擬世界中主要應(yīng)用的是基于視覺、聽覺、和力覺感知的外部設(shè)備。這些設(shè)備可使用戶能更好的感知虛擬世界。由此可見，外部設(shè)備在虛擬世界中起著至關(guān)重要的作用。現(xiàn)就向大家簡單介紹虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）系統(tǒng)中幾種常見的虛擬外部設(shè)備。

2.1 視覺感知設(shè)備 視覺感知設(shè)備主要是向用戶提供立體寬視野的場(chǎng)景顯示，并且這種場(chǎng)景的變化會(huì)實(shí)時(shí)改變。此類設(shè)備主要有：頭盔式顯示器、洞穴式立體顯示裝備、響應(yīng)工作臺(tái)立體顯示裝置、墻式立體顯示裝置等。此類設(shè)備相對(duì)來說已經(jīng)比較成熟。

2.2 聽覺感知設(shè)備 聽覺感知設(shè)備的主要功能是提供虛擬世界中的三維真實(shí)感聲音的輸入及播放。一般由耳機(jī)和專用聲卡組成。通常用專用聲卡將單通道或普通立體聲源信號(hào)處理成具有雙耳效應(yīng)的三維虛擬立體聲音。

2.3 觸覺和力覺感知設(shè)備 從本質(zhì)上來說，觸覺和力覺實(shí)際是兩種不同的感知。力覺感知設(shè)備主要是要求能反饋力的大小和方向，而觸覺感知所包含的主要的內(nèi)容要更豐富一些，例如手與物體相接觸，應(yīng)包含一般的接觸感，進(jìn)一步應(yīng)包含感知物體的質(zhì)感（布料、海綿、橡膠、木材、金屬、石頭等）、紋理感（平滑、粗糙程度等）以及溫度等。此類設(shè)備主要有：數(shù)據(jù)手套、賽伯手套、DHM手套、數(shù)據(jù)衣等等。

3 探索虛擬漫游系統(tǒng)中外設(shè)的應(yīng)用

在虛擬漫游系統(tǒng)的發(fā)展過程中人們總結(jié)出一個(gè)虛擬漫游系統(tǒng)應(yīng)具有以下二個(gè)特征:沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和想象力(Imagination)。它們分別表示虛擬環(huán)境模擬的真實(shí)程度，與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互的自然程度和用戶在虛擬環(huán)境中的認(rèn)知能力。虛擬漫游是一項(xiàng)難度很大的綜合技術(shù)，因此在虛擬漫游中增強(qiáng)沉浸感，達(dá)到逼真的感覺和實(shí)時(shí)的自然交互是非常不容易的。這一方面不僅依賴于虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建、顯示和交互等技術(shù)的不斷改進(jìn)，同時(shí)虛擬外設(shè)的管理和使用在虛擬漫游中有也不可忽視的重要地位，當(dāng)前虛擬漫游中沉浸感的獲得很大程度上依賴于像頭盔、數(shù)據(jù)手套、跟蹤器等虛擬外設(shè)的使用。虛擬外設(shè)的應(yīng)用用正在影響著虛擬漫游的仿真效果。以下就來探討其中一些外設(shè)在虛擬漫游系統(tǒng)中應(yīng)用。

3.1 視覺感知設(shè)備的應(yīng)用 人從外界獲得的信息，有80%—90%來自視覺，其中眼睛是人的主要感覺器官。為了讓訪問者能在虛擬漫游中獲得較大的真實(shí)感，我們就需要利用一些視覺的感知設(shè)備。以此獲得更大的真實(shí)感與沉浸感。以下想大家介紹立體眼鏡和洞穴式立體顯示裝置在虛擬漫游中的應(yīng)用。

3.1.1 立體眼睛的應(yīng)用 立體眼鏡是利用液晶光閥高速切換左右眼圖像原理從而產(chǎn)生一幅具有立體深度感的圖像來實(shí)現(xiàn)的。它有有線和無線之分，可使用戶在虛擬世界中自由的遨游，多方位的欣賞和觀察事物，真實(shí)感強(qiáng)，是目前最為流行和經(jīng)濟(jì)適用的虛擬現(xiàn)實(shí)觀察設(shè)備。在虛擬漫游中起到重要地位。

3.1.2 洞穴式立體顯示裝置的應(yīng)用 洞穴式立體顯示裝置（CAVE）是一套基于高端計(jì)算機(jī)的房間式立體投影系統(tǒng)。CAVE是把高分辨率的立體投影技術(shù)和三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、音響技術(shù)、傳感器技術(shù)等綜合在一起，產(chǎn)生一個(gè)供多人使用的完全沉浸的虛擬環(huán)境。用戶在其中可以非常自然地運(yùn)動(dòng)，隨意的觀看周圍的環(huán)境，可直接環(huán)顧左右。另外，CAVE系統(tǒng)允許多個(gè)用戶沉浸于虛擬世界的漫游中，因此是一個(gè)理想的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)。在虛擬漫游中，我們可以在CAVE上建造一個(gè)虛擬模型并隨意觀看，用戶可以圍繞著它，從各個(gè)角度審視它。例如我們需要進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)，一個(gè)建筑師與其建造一個(gè)小比例的建筑模型，不如利用CAVE在虛擬建筑內(nèi)漫游，身臨其境地觀看一些建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并與之發(fā)生互動(dòng)，分析設(shè)計(jì)的合理性。

3.2 聽覺感知設(shè)備的應(yīng)用 聽覺是人類僅次于視覺的第二傳感通道，它是多通道和虛擬環(huán)境中的一個(gè)重要組成部分。它一方面要接受用戶與虛擬環(huán)境的語言輸入，同時(shí)也生成虛擬世界中的立體三維聲音。聽覺感知設(shè)備能使我們?cè)谔摂M漫游時(shí)聽到模擬真實(shí)世界的一些三維立體聲音，有讓人深感在現(xiàn)實(shí)世界中的感受。使人體會(huì)到沉浸的感覺，在虛擬漫游中感知認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)世界。例如我們?cè)诼沃锌筛鶕?jù)聽到的某個(gè)聲音來判斷它的空間位置，猶如在現(xiàn)實(shí)世界中，有較大的真實(shí)感。

3.3 觸覺、力覺感知設(shè)備的應(yīng)用 觸覺和力覺也是人類感覺的重要渠道，人們可以利用觸覺和力覺反饋的信息去感知世界，并進(jìn)行各種交互。一方面可以去感知虛擬世界中的物體的位置和方向；另一方面還可以去操縱和移動(dòng)物體以完成某種任務(wù)。數(shù)據(jù)手套是一種傳感手套的專有名稱。它是一種戴在用戶手上的虛擬的手，用于與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行交互，可以在虛擬世界中進(jìn)行物體抓取、移動(dòng)、裝配、操縱、控制。用戶戴上手套可與虛擬漫游中的一些景物和事物進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，感受事物的存在和重量等等許多屬性，使用戶獲得了很大限度的真實(shí)感和沉浸感。

4 結(jié)束語

虛擬漫游系統(tǒng)中，外設(shè)起到了很重要的作用，它使得虛擬漫游變得更加生動(dòng)人性化，使得人機(jī)交互變得真實(shí)化。給人們帶來了更多的視覺和聽覺感受，猶如身臨其境現(xiàn)實(shí)世界一般。大大增加了虛擬漫游系統(tǒng)的沉浸感，具有不容忽視的重要作用。

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