虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其未來展望

[摘 要] 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多種技術(shù)的綜合,是一門前沿學(xué)科。目前,虛擬技術(shù)的應(yīng)用已涉及到軍事、教育、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、商業(yè)、影視等領(lǐng)域。它是21世紀(jì)的重要發(fā)展學(xué)科。

[關(guān)鍵詞] 虛擬現(xiàn)實(shí);交互性;可視化

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)是利用計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)、圖像技術(shù)、傳感器技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)及仿真技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的最新技術(shù),是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。虛擬技術(shù)是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)、前沿科學(xué)和研究領(lǐng)域。目前虛擬技術(shù)已涉及到軍事、教育、醫(yī)學(xué)、心里學(xué)、商業(yè)、影視等領(lǐng)域,是21世紀(jì)的重要發(fā)展學(xué)科。

一、虛擬技術(shù)的特征

虛擬環(huán)境是利用計(jì)算機(jī)生成并控制的,因此人處在利用虛擬技術(shù)創(chuàng)建的虛擬環(huán)境之中和真實(shí)環(huán)境是沒有差別的。虛擬現(xiàn)實(shí)具有3個(gè)最突出的特性:交互性(Interactivity)、沉浸性(Illusion of Immersion)和構(gòu)想性(Imagination)。

1、交互性(Interactivity)

人們可以通過使用專門的輸入和輸出設(shè)備(主要通過數(shù)據(jù)手套、頭盔、數(shù)據(jù)衣等)以自然地方式(如自身的語(yǔ)言、動(dòng)作等)和虛擬世界中的對(duì)象進(jìn)行交互操作和交流。

2、沉浸感(Illusion of Immersion)

沉浸感是指用戶在純自然的狀態(tài)下借助交互設(shè)備和自身的感知覺系統(tǒng)對(duì)虛擬環(huán)境的投入程度。虛擬世界給人一種身臨其境的感覺。

3、構(gòu)想性(Imagination)

指借助虛擬技術(shù)可以使用戶沉浸其中并獲得新的知識(shí),從而使用戶深化概念和萌發(fā)新意。因此說虛擬現(xiàn)實(shí)可以啟發(fā)人創(chuàng)造性思維,使抽象概念具體化。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用非常廣泛,它可以用于軍事、教育訓(xùn)練、設(shè)計(jì)規(guī)劃、產(chǎn)品建模、心理學(xué)治療及藝術(shù)與娛樂等多

方面。

1、軍事領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用,被廣泛的應(yīng)用于軍事訓(xùn)練、武裝裝備的研究和生產(chǎn)以及軍事教育等各個(gè)方面。

目前的軍事模擬訓(xùn)練大多是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中,美國(guó)士兵原本對(duì)周邊環(huán)境非常陌生,是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)把他們帶到那漫無邊際的風(fēng)塵黃沙中,讓他們“身臨其境”感受到大漠的荒涼。英國(guó)國(guó)防部向外界公開了全世界最大和最精確地模擬作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)“合成兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練師”,由170輛全面聯(lián)網(wǎng)的高技術(shù)戰(zhàn)車模擬器組成,全面革新了裝甲戰(zhàn)斗集群的戰(zhàn)術(shù)仿真訓(xùn)練。

NASA虛擬工作站是美國(guó)航空航天局與軍事部門為了模擬訓(xùn)練而開發(fā)的。

美國(guó)陸軍的自動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)室CAVE是一個(gè)典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。至2000年,美國(guó)陸軍已擁有一個(gè)包括綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)環(huán)境所用作戰(zhàn)單元CCTT的模擬仿真器。目前美國(guó)正在開發(fā)空軍的任務(wù)支援系統(tǒng)(AFMSS)和海軍的特種作戰(zhàn)部隊(duì)計(jì)劃和演習(xí)系統(tǒng)(SOF PARS)。

我國(guó)趙沁平教授從1996年開始研究“分布式虛擬環(huán)境”,在863計(jì)劃的資助下,以北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系為系統(tǒng)集成單位,中科院軟件所、國(guó)防科技大學(xué)等單位為關(guān)鍵技術(shù)單位,包括合成環(huán)境、虛擬士兵、武器等研究,目前已達(dá)到美國(guó)同類產(chǎn)品的水平。

2、醫(yī)學(xué)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以用于教學(xué)及復(fù)雜手術(shù)的規(guī)劃。并且可以提供操作和對(duì)手術(shù)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè),進(jìn)行人體解剖仿真、外科手術(shù)仿真等,利用虛擬的醫(yī)療手術(shù)治療系統(tǒng),對(duì)患者進(jìn)行遠(yuǎn)程的救治。

2003年,我國(guó)第一軍醫(yī)大學(xué)宣布完成了首例女虛擬人的數(shù)據(jù)采集。首都醫(yī)科大學(xué)對(duì)虛擬中國(guó)女性數(shù)據(jù)集的高分辨率可視化和上海交通大學(xué)對(duì)虛擬人體運(yùn)動(dòng)建模的研究各有特色。

1985年美國(guó)國(guó)立醫(yī)學(xué)圖書館(NLM)就開始人體解剖圖像數(shù)字化研究和利用,目前已經(jīng)有虛擬人體模型可供下載。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以遙感外科手術(shù)。在偏遠(yuǎn)的山區(qū),通過遠(yuǎn)程的醫(yī)療虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),醫(yī)生只需要對(duì)虛擬病人模型進(jìn)行手術(shù),通過網(wǎng)絡(luò)將醫(yī)生動(dòng)作傳送到另一端的手術(shù)機(jī)器人,由機(jī)器人對(duì)病人實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)。手術(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)展的情況也可以通過機(jī)器人攝像機(jī)實(shí)時(shí)傳給醫(yī)生的頭盔立體顯示器,以便醫(yī)生實(shí)時(shí)的掌握手術(shù)情況。

3、教育

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育是教育發(fā)展的一個(gè)飛躍。它使傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式被取而代之為學(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識(shí)。

國(guó)內(nèi)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)了多媒體教學(xué)軟件,如鄒湘軍、周榮安等人開發(fā)的機(jī)械制造工程學(xué)多媒體教學(xué)軟件,效果逼真。該軟件已在南華大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)指揮專業(yè)的教學(xué)中使用。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行仿真教學(xué)和實(shí)驗(yàn),可以模擬顯現(xiàn)那些在現(xiàn)實(shí)中存在的、但在課堂教學(xué)環(huán)境下不容易做到或要花費(fèi)很大代價(jià)才能顯現(xiàn)的各種事物,供學(xué)生學(xué)習(xí)和探索。美國(guó)一個(gè)“虛擬物理實(shí)驗(yàn)室”系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就使得學(xué)生可以通過親身的做、看、聽來學(xué)習(xí)的方式成為可能。

4、工程領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用有很多方面,如城市建設(shè)、機(jī)械制造等。在機(jī)械制造中,利用它的直觀性和交互性可以幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)中也有非常廣泛的應(yīng)用,如嚴(yán)雋琪教授開發(fā)的“虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的理論體系研究”、孫健教授的“虛擬環(huán)境下啤酒灌裝生產(chǎn)線”的研究等均取得了一定的成果。

在現(xiàn)代城市建設(shè)中,設(shè)計(jì)人員更關(guān)心的是建筑的整體設(shè)計(jì)效果。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)計(jì)階段就可以動(dòng)態(tài)的、可視的、多方位的展現(xiàn)建筑物的外貌、地理環(huán)境和輔助設(shè)施,設(shè)計(jì)人員可以在虛擬建筑物中漫游,來查看自己的設(shè)計(jì)是否合理得當(dāng)。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),日本開發(fā)了虛擬東京古羅馬時(shí)代最宏偉的建筑——Trajan廣場(chǎng)再現(xiàn)。我國(guó)浙江大學(xué)開發(fā)了虛擬故宮,武漢大學(xué)開發(fā)的數(shù)碼城市系統(tǒng),這些都是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。

三、虛擬技術(shù)的展望

虛擬現(xiàn)實(shí)在軍事上對(duì)未來研究與應(yīng)用體現(xiàn)在這幾個(gè)方面:控制無人作戰(zhàn)、利用戰(zhàn)場(chǎng)發(fā)回各種數(shù)據(jù)生成虛擬戰(zhàn)場(chǎng)、通過人機(jī)協(xié)調(diào)共同分析和進(jìn)行戰(zhàn)事指揮、虛擬軍事地圖和已發(fā)生的戰(zhàn)爭(zhēng)再現(xiàn)。

在城市規(guī)劃中,利用虛擬現(xiàn)實(shí),模擬出建筑物,讓設(shè)計(jì)人員室內(nèi)考察,因而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是建筑規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、裝修效果展示等方面的有力工具。虛擬技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)業(yè)、虛擬城市和建筑裝修業(yè)等領(lǐng)域有著日益廣泛的發(fā)展前景,成為研究的熱點(diǎn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有非常廣闊的前景。21世紀(jì),最富有意義的挑戰(zhàn)是醫(yī)學(xué)虛擬系統(tǒng)的研制和開發(fā),其中不同類型的虛擬人體的研制是科學(xué)工作者一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)是一個(gè)很有潛力的發(fā)展領(lǐng)域,同時(shí)心理學(xué)方面的研究與應(yīng)用也是一項(xiàng)很有前景的應(yīng)用領(lǐng)域。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是繼多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之后,在教育領(lǐng)域最具有前景的技術(shù)。它的科學(xué)可視化的應(yīng)用,可以解決文化教育中硬件資源的不足,可以幫助我們理解科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)實(shí)生活中很多不可見的東西,如電磁場(chǎng)、紅外線等,利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就很容易將其可視并生動(dòng)的展現(xiàn)在我們面前。虛擬技術(shù)使虛擬教室、虛擬圖書館、虛擬校園、虛擬考場(chǎng)等新興的教育形式成為可能,使其在未來教育中占有一席之地。

近幾年來,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,使信息應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的變化,分布式虛擬現(xiàn)實(shí)則是一個(gè)典型的例子。分布式虛擬環(huán)境系統(tǒng)能夠滿足復(fù)雜虛擬環(huán)境的計(jì)算需求,還能滿足分布式仿真等對(duì)共享虛擬環(huán)境的自然需求。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),可供多個(gè)用戶同時(shí)異地參與分布式虛擬環(huán)境,不同地域的用戶可以通過聲音、文字等進(jìn)行交流和學(xué)習(xí)。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將是未來虛擬現(xiàn)實(shí)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

總之,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是具有深遠(yuǎn)的潛在應(yīng)用方向的新技術(shù),它將對(duì)科學(xué)、工程、文化教育、醫(yī)學(xué)和認(rèn)知等各種領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響。有朝一日,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)將成為人們進(jìn)行思維和創(chuàng)造的助手,是人們對(duì)已有的概念進(jìn)行深化和獲取新概念的有力工具。

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[作者簡(jiǎn)介]

趙曉華,陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系教師,工程師,研究方向?yàn)楝F(xiàn)代信息技術(shù)與應(yīng)用.