淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

王中帥 張亞威

摘要：隨著3D曠世巨作《阿凡達(dá)》席卷全球，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也登上了世界舞臺。虛擬現(xiàn)實(shí)，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個逼真的、具有視聽觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境的交互式視景和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；仿真；數(shù)字化人機(jī)接口；模擬系統(tǒng)；信息交流1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實(shí)(簡稱VR)，又稱靈境技術(shù)，是以浸沒感、交互性和構(gòu)想為基本特征的計(jì)算機(jī)高級人機(jī)界面，是迅速發(fā)展的一項(xiàng)綜合性計(jì)算機(jī)、圖形交互技術(shù)。它綜合利用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù),模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感官功能，使人能夠沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬境界中，并能夠通過語言、手勢等自然的方式與之進(jìn)行實(shí)時交互，創(chuàng)建了一種適人化的多維信息空間。使用者不僅能夠通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)感受到在客觀物理世界中所經(jīng)歷的“身臨其境”的逼真性，而且能夠突破空間、時間以及其他客觀限制，感受到在真實(shí)世界中無法親身經(jīng)歷的體驗(yàn)。目前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀主要涉及到三個研究領(lǐng)域：依靠計(jì)算機(jī)圖形方式建立實(shí)時的三維視覺效果、構(gòu)建對虛擬世界的觀察界面和使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)加強(qiáng)其在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用。

2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特征及其系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實(shí)就是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口，它通過給用戶同時提供諸如視、聽、觸等各種直觀而又自然的實(shí)時感知交互手段、最大限度地方便用戶的操作，從而減輕用戶的負(fù)擔(dān)、提高整個系統(tǒng)的工作效率。因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有以下四個重要特征。

⑴多感知性。所謂多感知性，就是指導(dǎo)除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)具有的視覺感知之外，還包括聽覺、力覺、觸覺和運(yùn)動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺等感知。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。

⑵浸沒感。又稱臨場感,它是指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難以分辨真假的程度。

⑶交互性。它是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實(shí)時性)。我們借助與我們的感覺器官,在虛擬的環(huán)境中體驗(yàn)真實(shí)的環(huán)境。

⑷自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律進(jìn)行動作的程度。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要由動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實(shí)時三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具和系統(tǒng)集成技術(shù)等五個方面組成。其中動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是根據(jù)應(yīng)用的需要獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù),并利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。而三維圖形的生成技術(shù)關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時”生成。立體顯示和傳感器技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)中實(shí)施交互能力的關(guān)鍵。

3當(dāng)今虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。目前在娛樂、教育及藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用占據(jù)主流，其次是軍事與航空、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，機(jī)器人和商業(yè)領(lǐng)域都占有一定比例，另外在可視化計(jì)算、制造業(yè)等領(lǐng)域也有相當(dāng)?shù)谋戎?。下面簡要介紹其部分應(yīng)用。

⑴管理工程領(lǐng)域。VR在管理工程方面也顯示出了無與倫比的優(yōu)越性。如設(shè)計(jì)一新型建筑物時，可以在建筑物動工之前用VR技術(shù)顯示一下；當(dāng)財(cái)政發(fā)生危機(jī)時，可以幫助分析大量的股票、債券等方面的數(shù)據(jù)以尋找對策等等。以上僅列出虛擬現(xiàn)實(shí)的部分應(yīng)用前景，可以預(yù)見，在不久的將來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會影響甚至改變我們的觀念與習(xí)慣，并將深入到人們的日常工作與生活。

⑵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工具。如Chicago(芝加哥)開放了關(guān)于3025年的一場未來戰(zhàn)爭的世界上第一臺大型可供多人使用的VR娛樂系統(tǒng)；作為傳輸顯示信息的媒體，VR所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術(shù)轉(zhuǎn)化為動態(tài)的，可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術(shù)，提高了藝術(shù)表現(xiàn)能力。

⑶軍事與航天工業(yè)領(lǐng)域。模擬與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。美國國防部高級研究計(jì)劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱為SIMNET的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)，以提供坦克協(xié)同訓(xùn)練，該系統(tǒng)可聯(lián)結(jié)200多臺模擬器。

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)的研究內(nèi)容涉及到人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、傳感器、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、智能控制、心理學(xué)等。雖然這個領(lǐng)域的技術(shù)潛力是巨大的，應(yīng)用前景也是廣闊的，但仍存在著許多尚未解決的問題和尚未客服的技術(shù)障礙?？陀^而論，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所取得的成就，絕大部分還僅僅限于擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)接口的能力，僅僅是剛剛開始涉及到人的感知系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的結(jié)合作用問題，還根本未涉及“人在實(shí)踐中得到的感覺信息是怎樣在人的大腦中存儲和加工處理成為人對客觀世界的認(rèn)識”這一重要過程。只有當(dāng)真正開始涉及并找到對這些問題的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑時，人和信息處理系統(tǒng)間的隔閡才有可能被徹底的克服，我們期待這有朝一日,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)成為一種對多維信息處理的強(qiáng)大系統(tǒng),成為人進(jìn)行思維和創(chuàng)造的助手和對人們已有的概念進(jìn)行深化和獲取新概念的有力工具。我們相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)3D運(yùn)算能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬大大提高，虛擬現(xiàn)實(shí)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用將日益廣泛。

[參考文獻(xiàn)]

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