關(guān)于空間虛擬現(xiàn)實(shí)的相關(guān)研究

周愈晨

摘 要：在計(jì)算機(jī)功技術(shù)日新月異的今天，資料的輸出、輸入不再是鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器。空間虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)簡(jiǎn)稱VR，是一種利用三維立體圖形生成、多傳感交互以及立體顯示技術(shù)的集合，使用者通過(guò)多種設(shè)備，進(jìn)入虛擬空間，并操縱場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行人機(jī)交互。空間虛擬現(xiàn)實(shí)的興起，為人機(jī)交互開創(chuàng)了新領(lǐng)域。如建筑，文物保護(hù)，醫(yī)學(xué)等方面，將更高層次的虛擬互動(dòng)世界帶給用戶。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)空間技術(shù)人機(jī)互動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X(2012)07(c)-0021-02

空間虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成逼真的三維虛擬環(huán)境，并通過(guò)使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，或利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可以進(jìn)入虛擬空間，使用戶“投入”到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)。其目的是能讓用戶的自然技能對(duì)虛擬世界中的物體進(jìn)行考察或操作，同時(shí)提供視，聽，接觸等，直觀而又自然的感知。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)、建筑設(shè)計(jì)、軍事訓(xùn)練、體育訓(xùn)練、娛樂(lè)游戲等許多領(lǐng)域。

1 理論背景

空間虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)是20世紀(jì)末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)?！疤摂M現(xiàn)實(shí)”一詞是由美國(guó)VPL Research Inc公司的J.Lanier在1989年所創(chuàng)造的。它實(shí)時(shí)的三維空間表現(xiàn)能力，自然的人機(jī)交互式操作環(huán)境以及給人帶來(lái)的身臨其境感受，將從根本上改變?nèi)伺c計(jì)算機(jī)之間枯燥，生硬和被動(dòng)的現(xiàn)狀，為人機(jī)交互技術(shù)開創(chuàng)新的研究領(lǐng)域，并為我們創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界提供有力的支持，從而大大推進(jìn)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的劃分

根據(jù)用戶參與VR的不同形式以及沉浸的程度不同，我們可以把各種類型的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)劃分四類：(1)桌面級(jí)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。(2)投入的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。(3)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。(4)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

由于受資金或是硬件本身性能限制，系統(tǒng)的計(jì)算速度、交互手段可能要受到影響，此時(shí)可以從軟件上著手彌補(bǔ)缺陷，產(chǎn)生了許多用于優(yōu)化軟件的技術(shù)，例如基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、虛擬仿真等。由于虛擬現(xiàn)實(shí)本身并不限制使用的技術(shù)范圍，只要能達(dá)到目標(biāo)，可以把各種技術(shù)有效地集成起來(lái)設(shè)計(jì)出一個(gè)成功的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義

VR技術(shù)的定義可歸納為：由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬的環(huán)境，這種環(huán)境是由計(jì)算機(jī)構(gòu)成的三維空間，或是加入其他現(xiàn)實(shí)環(huán)境從而產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，并通過(guò)多種設(shè)備讓用戶“投入”到該環(huán)境中，使用戶在視覺(jué)，聽覺(jué)，觸覺(jué)，味覺(jué)等多種感官沉浸于虛擬環(huán)境的感覺(jué)。與傳統(tǒng)的人機(jī)交互技術(shù)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)具有三個(gè)最突出的特征：交互性，沉浸感和構(gòu)想性。一個(gè)典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要包括以下五大組成部分：虛擬世界數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)，虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。與虛擬世界交互的過(guò)程大致是：參與者首先激活頭盔，手套和話筒等輸入設(shè)備為計(jì)算機(jī)提供信號(hào)，虛擬現(xiàn)實(shí)軟件收到由跟蹤器和傳感器送來(lái)的輸入信號(hào)后加以計(jì)算，然后對(duì)虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)作必要的更新，調(diào)整當(dāng)前的虛擬環(huán)境場(chǎng)景，并將這一新視點(diǎn)下的三維視覺(jué)圖像以及其他(如聲音，觸覺(jué)，力反饋等)信息立即傳送給相應(yīng)的輸出設(shè)備(頭盔顯示器，耳機(jī)，數(shù)據(jù)手套等)，以便參與者及時(shí)獲得多種感官上的虛擬效果。

1．3 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要達(dá)到的目標(biāo)

第一、要使參與者有“身臨其境”的體驗(yàn)。這種體驗(yàn)就是“沉浸式”或“投入式”，即全身心地進(jìn)入，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是產(chǎn)生在虛擬世界中的錯(cuò)覺(jué)。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)達(dá)到難以分辯真假的程度，讓不可能成為可能。這種沉浸感的意義在于可以使用戶集中注意力。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，就必須具有多感知的能力，理想的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)具備人類所具有的一切感知能力，包括視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)，甚至味覺(jué)和嗅覺(jué)。

第二、系統(tǒng)要能提供方便的、豐富的、主要是基于自然技能的人機(jī)交互手段。實(shí)時(shí)性是非常重要的，如果在交互時(shí)存在較大的延遲，與人的心理經(jīng)驗(yàn)不一致，就談不上以自然技能的交互，也很難獲得沉浸感。為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，高速計(jì)算和處理就必不可少。

參與者在虛擬環(huán)境中的活動(dòng)或者經(jīng)歷有兩種形式，一種是主觀參與(First-person activities)(如圖1)，另一種是客觀參與(Second-person activities)(如圖2)。主觀參與時(shí)，參與者是整個(gè)經(jīng)歷的中心，一切圍繞參與者進(jìn)行；客觀參與時(shí)參與者則可以在虛擬環(huán)境中看到他自己與其它物體的交互。

1.4 軟件與硬件的結(jié)合

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)就是要利用各種先進(jìn)的硬件技術(shù)及軟件工具，設(shè)計(jì)出合理的硬件、軟件及交互手段，使參與者能交互式地觀察和操縱系統(tǒng)生成的虛擬世界。從概念上講，任何一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都可以用三個(gè)“I”來(lái)描述其特性，這就是“沉浸（Immersion）”、“交互（Interaction）”和“想象（Imagination）”。這三個(gè)“I”反映了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，就是系統(tǒng)與人的充分交互，它強(qiáng)調(diào)人在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的主導(dǎo)作用。(如圖3)

2 案例

2．1 Quicktime VR在虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用

現(xiàn)在的虛擬現(xiàn)實(shí)用戶中使用比較廣泛且方便的就是QuickTime VR，它是美國(guó)蘋果公司在QuickTime技術(shù)基礎(chǔ)之上開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

概括地講是一種基于靜態(tài)圖像處理的，在微機(jī)平臺(tái)上能夠?qū)崿F(xiàn)的初級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。QuickTime VR屬于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)的一種。雖然它是初級(jí)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，但是由于QuickTime VR非常易于使用，用戶在使用時(shí)不需要特殊的照相設(shè)備，無(wú)論是簡(jiǎn)單的照相機(jī)、專業(yè)級(jí)單反相機(jī)還是數(shù)字相機(jī)都可以滿足需求。

所有的全景照片都可以直接輸入計(jì)算機(jī)并被轉(zhuǎn)換成QuickTime VR格式。用戶可以手工調(diào)整圖像，并且透明地查看交疊圖像，這一特性為圖像之間的精細(xì)調(diào)整提供了便利。(如圖4)如圖為了減少存儲(chǔ)量，QuickTime VR提供了對(duì)QuickTime壓縮算法的支持，它可以把QuickTime全景影片通過(guò)諸如JPEG等標(biāo)準(zhǔn)壓縮程序壓縮到50K以下。也正是由于這種新的壓縮算法，用戶才能夠看到QuickTime VR導(dǎo)出的mov格式影片。

QuickTime VR提供了非常方便的編輯功能，用戶可以通過(guò)簡(jiǎn)單的拖放操作，進(jìn)行快速場(chǎng)景制作瀏覽。由于其容量較小，且是大多數(shù)電腦通用的mov的格式，很方便上傳到互聯(lián)網(wǎng)讓大家觀看，在帶寬是1M的情況下普通的場(chǎng)景只需要大約10秒就可以在線觀看，在作為宣傳道具的功能就得到了很好的體現(xiàn)，為虛擬現(xiàn)實(shí)大眾化鋪平了道路。(如圖5)

這種簡(jiǎn)便、廉價(jià)、兼容性高的特性使它得到入門級(jí)別虛擬現(xiàn)實(shí)所不可替代的地位，它的出現(xiàn)使得以往專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中的成本昂貴的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用普及有了廣闊的前景。

QuickTime VR容量上的優(yōu)勢(shì)但最終導(dǎo)致了內(nèi)容上的匱乏，雖然QuickTime VR技術(shù)使參與者可以自己控制體驗(yàn)的進(jìn)程和順序，但是參與者不能與所參與的場(chǎng)景或物品進(jìn)行互動(dòng)，這樣就缺失了重要的趣味性，雖然豐富的畫面但卻一成不變的場(chǎng)景，無(wú)法感知的過(guò)去和將來(lái)失去了時(shí)間的意義，失去了與場(chǎng)景在同一空間的感覺(jué)，讓人很難真正投身其中，而且QuickTime VR的使用者始終只能用一個(gè)視角參觀產(chǎn)生視覺(jué)疲勞，從而失去對(duì)這個(gè)作品的興趣。

3 結(jié)語(yǔ)

正如其它新興學(xué)科技術(shù)一樣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。在教育方面可以讓青少年更加了解祖國(guó)文化的博大精深，讓他們重新建立起對(duì)中國(guó)古代文化的興趣，真正做到從多個(gè)方面觀賞國(guó)畫。

空間虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展在，小區(qū)導(dǎo)航，建筑游覽，博物館游覽等系統(tǒng)都已經(jīng)發(fā)展，當(dāng)然這些都是實(shí)物虛擬的作品，空間虛擬現(xiàn)實(shí)將來(lái)在平面作品上也將大有作為，在不久的將來(lái)，空間虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)該無(wú)所不在，可以讓人到達(dá)所有向往的地方。

虛擬現(xiàn)實(shí)可以實(shí)現(xiàn)文化遺產(chǎn)的繼承和重現(xiàn)，不僅能復(fù)制現(xiàn)存的東西，還能將僅存在人們記憶或者記載中的寶貴財(cái)富具象的展現(xiàn)給大家，既保護(hù)了文物，又讓人們跨越時(shí)空，欣賞到稀世珍寶。對(duì)于考古研究，文物保護(hù)、復(fù)原，都具有不可小覷的作用。

現(xiàn)在的虛擬現(xiàn)實(shí)雖然已經(jīng)趨于成熟，很多展示方式也已經(jīng)趨于完美，但是所有的展示技術(shù)的基礎(chǔ)，來(lái)自各種領(lǐng)域的研究與應(yīng)用勢(shì)必不斷的推陳出新。仍舊停留在將圖像投向視網(wǎng)膜上，或者用復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)作來(lái)模擬手指的觸感，或許將來(lái)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能使使用者躺在沙發(fā)上，閉著眼睛也可以看到自己的故鄉(xiāng)，曾經(jīng)的風(fēng)景，而且還能聞到故鄉(xiāng)的味道，觸摸得到故鄉(xiāng)的一草一木。

當(dāng)然，任何一種新技術(shù)的推廣與應(yīng)用，一方面要靠研究團(tuán)隊(duì)的不斷努力、發(fā)展和完善該項(xiàng)技術(shù)，另一方面則就需要廣大的使用者能更新他們的思想，積極接受，引入新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)作為一門新興的科學(xué)，目前也尚有諸多因素限制它的廣泛應(yīng)用但我們可以肯定地說(shuō)，VR技術(shù)將會(huì)是繼多媒體，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之后，成為最具有應(yīng)用前景的“明星”技術(shù)，它將使21世紀(jì)的媒體發(fā)生質(zhì)的變化。它的“沉浸性”，“交互性”與“構(gòu)想性”，不但非常有利于人們構(gòu)建一種全新，多變的環(huán)境和手段，而且為學(xué)習(xí)者提供了一種可以進(jìn)行交互，直觀，自主探索的學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)方法，從而激發(fā)學(xué)習(xí)積極性，在多方面提高媒體的質(zhì)量和效果。同時(shí)，在Web站點(diǎn)上，虛擬授課，虛擬汽車工程，虛擬校園，虛擬戰(zhàn)場(chǎng)等形式也將不可避免地出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中，并以它們接近真實(shí)并高于真實(shí)的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)多媒體的領(lǐng)域中占有一席之地。因此，我們應(yīng)該盡快認(rèn)識(shí)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，嘗試在各個(gè)領(lǐng)域開發(fā)它，使用它。我們期待這有朝一日，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)成為一種對(duì)多維信息處理的強(qiáng)大系統(tǒng)，成為人進(jìn)行思維和創(chuàng)造的助手和對(duì)人們已有的概念進(jìn)行深化和獲取新概念的有力工具。

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