虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與展望

◎王曉玥

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與展望

◎王曉玥

本文主要介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的起源、分類(lèi)以及關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)該技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

虛擬現(xiàn)實(shí)最早源于美國(guó)軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，上世紀(jì)九十年代初逐漸為各界所關(guān)注并且在商業(yè)領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的發(fā)展。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形構(gòu)成的三維數(shù)字模型，并編制到計(jì)算機(jī)中去生成一個(gè)以視覺(jué)感受為主，也包括聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)的綜合可感知的人工環(huán)境成為虛擬環(huán)境（VE），從而使得在視覺(jué)上產(chǎn)生一種沉浸于這個(gè)環(huán)境的感覺(jué)，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測(cè)周?chē)h(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用，使人和計(jì)算機(jī)很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺(jué)。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類(lèi)

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)參與形式的不同一般分為：桌面式、沉浸式、增強(qiáng)式、分布式以及混合式。

桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)的工作站進(jìn)行仿真，將計(jì)算機(jī)的屏幕作為用戶(hù)觀察虛擬界面的一個(gè)窗口。桌面顯示系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于普及推廣，但最大的缺點(diǎn)是缺乏完全沉浸式的用戶(hù)體驗(yàn)。

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。沉浸型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供完全沉浸的體驗(yàn)，通常利用頭盔式顯示器或其他設(shè)備，把參與者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其他感覺(jué)封閉起來(lái)，提供一個(gè)新的、虛擬的空間，并利用位置追蹤器、數(shù)據(jù)手套、其他受控輸入設(shè)備、聲音等使參與者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸在虛擬空間的感覺(jué)。

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一種基于網(wǎng)絡(luò)連接的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它是多個(gè)用戶(hù)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時(shí)參加一個(gè)虛擬空間，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷。從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，美國(guó)軍方一直在資助開(kāi)發(fā)多種分布式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)系統(tǒng)項(xiàng)目。2002年運(yùn)用大規(guī)模分布式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境JSIMS(Joint Simulation System)進(jìn)行的“千年挑戰(zhàn)2002”被認(rèn)為是美軍歷史上規(guī)模最大的聯(lián)合軍演。我國(guó)在863計(jì)劃的支持下，2000年10月北航、國(guó)防科大、裝甲兵工程學(xué)院等單位聯(lián)合開(kāi)發(fā)出了基于HLA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的分布式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境DVENET，并推廣應(yīng)用。2006年12月，國(guó)家863計(jì)劃啟動(dòng)了“虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境”項(xiàng)目。

增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)允許用戶(hù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行觀察的同時(shí)，將虛擬圖像疊加在真實(shí)的物理對(duì)象之上，為用戶(hù)提供所能看到的與真實(shí)環(huán)境有關(guān)的、存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的信息，從而增強(qiáng)用戶(hù)對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，又被稱(chēng)為疊加式或補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。AR的成像理念與VR沉浸式的成像體驗(yàn)打造出了一種以全息投影現(xiàn)實(shí)為主的混合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，即混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Mix reality，簡(jiǎn)稱(chēng)MR）。這種混合虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備是將計(jì)算機(jī)生成的3D虛擬物體全息投射到現(xiàn)實(shí)空間中，使用者可以在現(xiàn)實(shí)空間中與3D虛擬動(dòng)畫(huà)進(jìn)行交互式操作，并觸發(fā)相應(yīng)功能。這類(lèi)MR設(shè)備的成像原理并不同于沉浸式的VR設(shè)備，它是將虛擬畫(huà)面投射到真實(shí)空間中，但所投射的是全息3D圖像，其成像效果突破了虛擬與現(xiàn)實(shí)世界的界限。

關(guān)鍵技術(shù)與前沿應(yīng)用

實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)。三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”生成。為了達(dá)到實(shí)時(shí)的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15幀/秒，最好是高于30幀/秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。

廣角(寬視野)的立體顯示。雙目立體視覺(jué)在立體顯示上起了很大作用,用戶(hù)的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統(tǒng)采用單個(gè)顯示器，但用戶(hù)帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數(shù)幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數(shù)幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產(chǎn)生了立體感。

用戶(hù)的跟蹤。在人造環(huán)境中，每個(gè)物體相對(duì)于系統(tǒng)的坐標(biāo)系都有一個(gè)位置與姿態(tài)，而用戶(hù)也是如此。用戶(hù)看到的景象是由用戶(hù)的位置和頭(眼)的方向來(lái)確定的。

觸覺(jué)與力覺(jué)反饋。在一個(gè)VR系統(tǒng)中，用戶(hù)可以看到一個(gè)虛擬的杯子。你可以設(shè)法去抓住它，但是你的手沒(méi)有真正接觸杯子的感覺(jué)，并有可能穿過(guò)虛擬杯子的“表面”，而這在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能的。解決這一問(wèn)題的常用裝置是在手套內(nèi)層安裝一些可以振動(dòng)的觸點(diǎn)來(lái)模擬觸覺(jué)。

語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)。在VR系統(tǒng)中，語(yǔ)音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環(huán)境能聽(tīng)懂人的語(yǔ)言，并能與人實(shí)時(shí)交互。而讓計(jì)算機(jī)識(shí)別人的語(yǔ)音是相當(dāng)困難的，因?yàn)檎Z(yǔ)音信號(hào)和自然語(yǔ)言信號(hào)有其“多邊性”和復(fù)雜性。例如，連續(xù)語(yǔ)音中詞與詞之間沒(méi)有明顯的停頓，同一詞、同一字的發(fā)音受前后詞、字的影響，不僅不同人說(shuō)同一詞會(huì)有所不同，就是同一人發(fā)音也會(huì)受到心理、生理和環(huán)境的影響而有所不同。使用人的自然語(yǔ)言作為計(jì)算機(jī)輸入目前有兩個(gè)問(wèn)題，首先是效率問(wèn)題，為便于計(jì)算機(jī)理解，輸入的語(yǔ)音可能會(huì)相當(dāng)啰嗦。其次是正確性問(wèn)題，計(jì)算機(jī)理解語(yǔ)音的方法是對(duì)比匹配，而沒(méi)有人的智能。

手勢(shì)識(shí)別技術(shù)。通過(guò)數(shù)據(jù)手套或者深度圖像傳感器來(lái)精確測(cè)量出手的位置和形狀，由此實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的虛擬手對(duì)虛擬物體的操縱。數(shù)據(jù)手套通過(guò)手指上的彎曲、扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關(guān)節(jié)的位置和方向，而基于深度傳感器的手勢(shì)識(shí)別則通過(guò)深度傳感器獲得的深度圖像信息進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而獲得掌、手指等部分的彎曲角度等數(shù)據(jù)。

動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容。動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù)（有規(guī)則的環(huán)境），而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺(jué)建模技術(shù)，兩者的有機(jī)結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。

應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場(chǎng)合和對(duì)象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對(duì)象可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量。為了達(dá)到這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實(shí)的開(kāi)發(fā)工具。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀及展望

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括醫(yī)學(xué)、娛樂(lè)、軍事航天、室內(nèi)設(shè)計(jì)等，并為城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計(jì)、工業(yè)仿真、古跡復(fù)原、橋梁道路設(shè)計(jì)、房地產(chǎn)銷(xiāo)售、旅游教學(xué)、水利電力、地質(zhì)災(zāi)害、教育培訓(xùn)等眾多領(lǐng)域提供切實(shí)可行的解決方案。例如面向數(shù)字博物館，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位開(kāi)發(fā)出的適合博物館演示和研究的虛擬博物館系統(tǒng)。同時(shí)本系統(tǒng)也可以作為面向城市規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)的支撐平臺(tái)。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有三維聲像效果，能進(jìn)行交互操作，可以提供有趣味性的教育環(huán)境，因而在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)被投資者廣泛看好，并有許多企業(yè)已經(jīng)涉足該產(chǎn)業(yè)。

隨著科技水平的不斷提高，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有廣闊的未來(lái)。也許以下的技術(shù)和應(yīng)用在不遠(yuǎn)的將來(lái)就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

將圖像直接投射到使用者眼睛的視網(wǎng)膜，讓你的大腦認(rèn)為它是真的。視網(wǎng)膜投射技術(shù)要將全世界變成一塊觸屏——同時(shí)又不需要屏幕存在。

虛擬旅行體驗(yàn)?zāi)軌蜃屇阍诩抑袑?shí)現(xiàn)荒野生存的體驗(yàn)，可以帶你到世界上任何無(wú)法深入的古跡，如完整的龐貝古城、神秘的金字塔內(nèi)部等。

相信在未來(lái)，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的藍(lán)光電影可以讓你在家里體驗(yàn)《星際穿越》，或是置身于《侏羅紀(jì)公園》中，甚至是與《阿凡達(dá)》們一同作戰(zhàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)可以幫助普通人以較低成本實(shí)現(xiàn)星際體驗(yàn)。利用不斷出現(xiàn)及發(fā)展的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的太空體驗(yàn)軟件，相信在未來(lái)坐在家中體驗(yàn)太空的神秘也不是一件難事。

隸屬于美國(guó)能源部的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室近日通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)了模擬核反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們通過(guò)佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器、運(yùn)行專(zhuān)用軟件，可以反復(fù)練習(xí)在緊急環(huán)境下的核試驗(yàn)操作，從而提升實(shí)際操作時(shí)的成功幾率。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)存在的問(wèn)題及發(fā)展前景

眾多巨頭關(guān)注虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)，然而已經(jīng)面世的幾款產(chǎn)品采用的是頭戴式顯示設(shè)備，用戶(hù)體驗(yàn)不好，而且內(nèi)容也略顯單一，僅僅停留在游戲領(lǐng)域。沒(méi)有一部能夠完全追蹤人體動(dòng)作的外設(shè)可以真正帶給參與者毫無(wú)障礙的沉浸式體驗(yàn)；缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、兼容性障礙導(dǎo)致眾多第三方廠商止步于混亂的市場(chǎng)現(xiàn)狀；目前虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備因?yàn)閮?nèi)容匱乏而無(wú)法吸引用戶(hù)；“廉價(jià)化”也極大阻礙了行業(yè)的發(fā)展。

相較于國(guó)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)企業(yè)起步稍晚，但國(guó)內(nèi)市場(chǎng)給予了國(guó)內(nèi)企業(yè)巨大的發(fā)展?jié)摿Γ柚覈?guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”的春風(fēng)，只要能專(zhuān)注于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研發(fā)，攻克技術(shù)難題，打造更多的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在更廣的領(lǐng)域中大顯身手。

（作者單位：武漢第六中學(xué)）