“數(shù)字時代”下的虛擬現(xiàn)實技術(shù)

周俊祥

（商丘師范學(xué)院，河南 商丘 476000）

“數(shù)字時代”下的虛擬現(xiàn)實技術(shù)

周俊祥

（商丘師范學(xué)院，河南 商丘 476000）

隨著社會信息化程度的不斷加深，一維和二維的信息處理技術(shù)已經(jīng)無法滿足人們的信息交流需求。在“讀圖時代”和“數(shù)字時代”，立體的、直觀的、形象的信息才是人們的首選。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種高新的、有待完善的信息技術(shù)手段，已經(jīng)在很多領(lǐng)域展現(xiàn)了其不可阻擋的魅力。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)；虛擬空間；虛擬作戰(zhàn)平臺

2010年1月4日，《阿凡達》在中國首映，其精心制作的虛擬現(xiàn)實場景畫面（60%的畫面都是由虛擬現(xiàn)實相關(guān)技術(shù)制作），給予了觀眾前所未有的視覺和心靈沖擊。這部由卡梅隆導(dǎo)演的大作在中國市場獲得了巨大的商業(yè)成功，也讓人們把目光重新聚焦于數(shù)字影院和虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的本質(zhì)

1.VR技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality Technology，簡稱為VR技術(shù)），是一種可以構(gòu)建類似自然世界的虛擬世界并能與之交互的一項高新的綜合模擬系統(tǒng)技術(shù)和數(shù)字化人機接口技術(shù)。該技術(shù)利用3D數(shù)字化系統(tǒng)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)的科學(xué)可視化技術(shù)，生成三維的、逼真的、多種感知的虛擬環(huán)境，用戶可以通過適當(dāng)設(shè)備進入這個虛擬空間，并與空間中的其他事物進行實時感知、交互和操作。

VR技術(shù)本質(zhì)上是一種先進的、綜合性的計算機用戶接口技術(shù)，它集成了計算機仿真技術(shù)、圖形圖像實時生成技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、人工智能等技術(shù)，諸多技術(shù)手段的集成和滲透使VR技術(shù)能夠給用戶以逼真的環(huán)境體驗。該技術(shù)的一個近乎神話的作用是，它能讓用戶進入到幾乎所有的宏觀世界和微觀世界，并能毫發(fā)無損地出來。因此，該技術(shù)被稱作“21世紀(jì)最具應(yīng)用前景的三大技術(shù)”之一（另外兩項是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)）。

2.VR技術(shù)的特征

借助VR技術(shù)，用戶可以進入一個虛擬的立體場景，通過交互作用和自身感知多角度地獲得所在場景中的各種信息。

具體來說，VR技術(shù)有三個突出特征：

（1）多感知性,即用戶能在虛擬環(huán)境中獲得觸覺、聽覺、視覺等感官體驗。

（2）實時交互性，即用戶可以通過數(shù)據(jù)設(shè)備與環(huán)境和環(huán)境中模擬的實體自然地、實時地交流互動。

（3）沉浸感，即用戶感覺自己所在的逼真虛擬環(huán)境是真實的，有臨場感。

沉浸感主要依賴于使用者與合成圖像的集成。頭盔顯示器是沉浸式系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它是一種將使用者與真實環(huán)境隔離的先進顯示裝置，可為左、右眼提供兩個包含平行視差的獨立圖像，在正確條件下，可產(chǎn)生真實感極強的立體感視景。

（4）自主性，即虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度。

其中，沉浸感和實時交互性是虛擬現(xiàn)實的實質(zhì)，通過在環(huán)境中的體驗來獲得各種空間信息和邏輯信息才是虛擬現(xiàn)實的最終目的。

二、虛擬現(xiàn)實的幾個應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實的實現(xiàn)依賴于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，整個系統(tǒng)模型的構(gòu)建需要三個步驟模型的創(chuàng)建;模型的導(dǎo)入;模型的控制。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)從面向用戶的角度上看，主要由以下三部分組成：虛擬場景、虛擬化身、人機交互接口網(wǎng)絡(luò)。

VR的實時三維空間表現(xiàn)能力、自然的人機交互式操作環(huán)境以及給人帶來的身臨其境感受，從根本上改變了人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現(xiàn)狀。鑒于此，VR技術(shù)得到了人們的日益重視。據(jù)統(tǒng)計，該技術(shù)已經(jīng)運用到了三千多個領(lǐng)域?，F(xiàn)僅就其在教育、軍事和科研開發(fā)三個領(lǐng)域的應(yīng)用加以探討，以期拋磚引玉。

1.VR技術(shù)在教育上的應(yīng)用

多年來,希望突破人——機之間信息交流這種呆板的數(shù)字化方式,想象著能在一種圖文并茂、繪聲繪色、如臨其境、栩栩如生的人——機和諧的信息環(huán)境下工作、學(xué)習(xí)與創(chuàng)造,用自己的感覺感官接受和處理各種信息,并加工成為人們對客觀事物的認(rèn)識。這種以求知為目的的想法已經(jīng)成為了現(xiàn)實，這就是VR技術(shù)在教學(xué)上的應(yīng)用。VR技術(shù)在教學(xué)上比較成熟的常見應(yīng)用技術(shù)包括：

（1）虛擬訓(xùn)練基地，學(xué)生的動手能力一直是應(yīng)試教育的一個短板?，F(xiàn)在，我們可以運用VR技術(shù)建立起虛擬實驗室、虛擬演練場來訓(xùn)練提高學(xué)生的實驗操作能力、當(dāng)眾演講能力等各種素質(zhì)。這樣，愿意做實驗的學(xué)生就能不受物質(zhì)條件和時空的限制安全地去做試驗，內(nèi)向的同學(xué)就能面對一大幫的虛擬人高聲演講……虛擬現(xiàn)實的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠全身心地進入角色。在培訓(xùn)學(xué)生職業(yè)技能時，利用VR技術(shù)構(gòu)建的平臺是卓有成效的。因為在虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，學(xué)員能夠安全地、沒有顧慮地、全身心地、不厭其煩地演練，直至最終熟練地掌握。

（2）虛擬課堂，能使學(xué)生與協(xié)同環(huán)境交互，更利于獲取環(huán)境中蘊含的信息

VR技術(shù)可以模擬出想象得到的幾乎所有宏觀和微觀世界，并能真實逼真地再現(xiàn)現(xiàn)實世界場景，這種虛擬環(huán)境使得學(xué)生能親身體會并自然交互，其效果要比空洞抽象的說教和平面媒體要好很多。運用這個虛擬世界，學(xué)生可以翱翔浩瀚的太空去學(xué)習(xí)星座星系，可以暢游神秘的海底世界去認(rèn)識水生動植物和水文知識，可以足不出戶就遠赴南極接受愛護環(huán)境的教育，還可以回到古代去學(xué)習(xí)歷史。

（3）虛擬圖書館，當(dāng)虛擬圖書館內(nèi)的書籍被翻閱時，書中所描述的場景會呈現(xiàn)在讀者面前。

（4）虛擬校園，訪問者通過網(wǎng)絡(luò)就能進入可視化的三維校園,瀏覽其優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源。

實現(xiàn)虛擬場景，需要構(gòu)建三維虛擬仿真平臺。平臺可以模擬真實場景，使受教育者在自然狀態(tài)下不知不覺地掌握知識與技能。

2.VR技術(shù)在軍事上的應(yīng)用

在軍事上，最值得一提的是虛擬作戰(zhàn)平臺。構(gòu)建虛擬作戰(zhàn)平臺是為了給用戶創(chuàng)造一個極具真實感的作戰(zhàn)環(huán)境，讓用戶沉浸其中，以達到訓(xùn)練思維和啟迪戰(zhàn)法的目的。為此，平臺上需要事先存儲大量的圖形圖像。鑒于這類系統(tǒng)具有良好的可控性、安全性、無破壞性、費用低、不受氣候影響、不受空間和場地限制等特點，已經(jīng)被世界各軍事大國高度重視。各大軍事強國現(xiàn)已開發(fā)出上萬種虛擬作戰(zhàn)平臺,可以模擬各種作戰(zhàn)對象和作戰(zhàn)規(guī)模，從單兵訓(xùn)練到集團軍的決戰(zhàn)。

美國發(fā)動伊拉克戰(zhàn)爭之前，已經(jīng)利用虛擬作戰(zhàn)平臺把各種可能的突發(fā)狀況都模擬了一遍，最終敲定了一套“斬首行動”，行動結(jié)果證明該方案是可行的。事實上，美國和西歐與北歐國家近年來一直都在致力于虛擬作戰(zhàn)系統(tǒng)的研制與使用，以實現(xiàn)戰(zhàn)場模擬、指揮官培訓(xùn)、戰(zhàn)事推演和戰(zhàn)術(shù)革新。

3.VR技術(shù)在科研開發(fā)管理上的應(yīng)用

由于VR技術(shù)搭建的平臺可以使用專用的頭盔與手套自然地、實時地傳遞環(huán)境信號，并能把用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來，使得用戶產(chǎn)生了一種身臨其境的錯覺。所以，科研人員在運用VR技術(shù)設(shè)計產(chǎn)品的過程中可以發(fā)現(xiàn)原本不易察覺的問題，并能通過修改參數(shù)達到完善的目的。

VR技術(shù)可以幫助企業(yè)有效地節(jié)省成本，降低真實實驗的次數(shù)和投入，減少產(chǎn)品的設(shè)計時間與設(shè)計周期。事實上，由于運用該技術(shù)設(shè)計與建造產(chǎn)品上是如此出色，以至于目前諾思羅普·格魯曼公司正在為美軍設(shè)計的下一代航母——“吉拉德·R·福特”級核動力航空母艦使用了強大的虛擬現(xiàn)實軟件，這將是第一種全程使用計算機軟件而非圖紙進行設(shè)計的航空母艦。無獨有偶，連音公司的波音777運輸機的設(shè)計過程也全程采用了VR技術(shù)。一個虛擬現(xiàn)實技術(shù)被廣泛應(yīng)用于設(shè)計的時代已經(jīng)來臨。

文中介紹了虛擬現(xiàn)實的本質(zhì)，并從教育、軍事、科研三個側(cè)面論證了VR技術(shù)不可小覷的作用。數(shù)字時代下，社會的各個層面都在進行著變革，以VR技術(shù)為代表的高新信息技術(shù)在這場變革中將起到?jīng)Q定性的作用。VR技術(shù)涉及到數(shù)學(xué)、力學(xué)、計算機圖形學(xué)等諸多學(xué)科，跨學(xué)科多、集成度高，已經(jīng)成為各國信息技術(shù)水平的分界線之一。與發(fā)達國家相比，我國的VR技術(shù)起步晚而起點高，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實同步前進。相信在國家的重視和科研人員的努力下，我國的VR技術(shù)將成為促進經(jīng)濟發(fā)展、社會進步和人民生活水平提高的新動力和打造信息化社會的引擎之一。

［1］趙維,謝曉方.沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)舒適性研究［J］.計算機工程與設(shè)計，2009,(18):4251-4252.

［2］張雪鵬,陳國華等.基于3D的虛擬運動仿真平臺設(shè)計及 Virtools功能實現(xiàn)［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報，2009，（4）:93-94.

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1673-0046（2010）6-0176-02