軍事、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的VR前瞻技術(shù)

沈臻懿

近兩年來，VR一詞可謂風(fēng)靡全球。VR，系英語Virtual Reality的縮寫，中文譯之為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一種能夠用來創(chuàng)建和親臨虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。有人在體驗(yàn)這一全新技術(shù)后，評價其為“真幻難辨，近乎真實(shí)”！

解構(gòu)“真幻難辨”的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)世界若要達(dá)到身臨其境的程度，就需要讓體驗(yàn)者實(shí)現(xiàn)真實(shí)的視覺、聽覺、觸覺甚至味覺，還可以從中判斷方位和距離，進(jìn)而形成完美地交互式體驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)這近乎真實(shí)的感覺，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）需要硬件與軟件的全面支持，采用三維動態(tài)交互視覺感官、實(shí)體行為仿真以及多源信息融合等方式，方能令用戶完全浸潤到這一“真幻難辨”的虛擬環(huán)境。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）是多種學(xué)科交融的產(chǎn)物。其關(guān)鍵雖然是計(jì)算機(jī)圖形與仿真，但人工智能、計(jì)算機(jī)硬件，甚至聲、光、電等技術(shù)都在其中扮演著重要角色。用戶通過視覺所看到的虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容，最初是由計(jì)算機(jī)三維軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而后呈現(xiàn)在顯示器之上。此外，利用全景照相機(jī)，也可以獲得虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容。該相機(jī)不同于普通的單反相機(jī)，其擁有多個鏡頭，可以拍攝360度范圍內(nèi)的所有畫面，并在虛擬世界中予以呈現(xiàn)。

人類的視覺，是其認(rèn)識周圍世界的重要感知手段。由于雙眼的位置有所不同，人在觀察周圍世界時雙眼獲得的圖像也略存差異。這些圖像輸入大腦后，經(jīng)大腦處理，即形成了人對于周圍世界景象的立體感知。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）中，為了能“欺騙”人的視覺，以達(dá)到以假亂真的程度，VR系統(tǒng)中的雙目立體視覺功能就起到了極為關(guān)鍵的作用。用戶在VR系統(tǒng)中雙眼所看到的不同圖像，是由不同顯示器分別形成并顯示，從而在視差的作用下產(chǎn)生視覺立體感。即使是個別VR系統(tǒng)采用單顯示器的設(shè)計(jì)，用戶在戴上VR眼鏡后，左右兩眼所看到的圖像分別為奇數(shù)幀和偶數(shù)幀，其奇、偶幀之間的圖像也各不相同，仍可形成立體感的景象。VR視覺體驗(yàn)除使用虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔外，諸如洞穴式自動虛擬系統(tǒng)（Cave Automatic Virtual Environment，CAVE）、環(huán)幕投影等方式，均可以營造出虛擬現(xiàn)實(shí)的世界。CAVE系統(tǒng)通常應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)較高的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。其由三面及以上的硬質(zhì)背投墻組成具有高度沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。在三維跟蹤器的配合下，用戶可以在立體投射的墻面環(huán)境下直觀感知近乎真實(shí)的三維虛擬環(huán)境。博物館、藝術(shù)館、科技館等場所的展覽布置中，有時會應(yīng)用環(huán)幕投影的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）。環(huán)幕投影系統(tǒng)采用的是多臺投影所組成的環(huán)形屏幕，用戶身處其中可感受到三維立體的視聽體驗(yàn)。不過，有些環(huán)幕投影并沒有完全覆蓋所有視野，屬于半沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。當(dāng)用戶背對環(huán)幕投影系統(tǒng)時，又會重新回到現(xiàn)實(shí)世界之中。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）所構(gòu)筑的虛擬現(xiàn)實(shí)世界，畢竟只是一個計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，其不可避免地需要與用戶之間進(jìn)行交互。用戶與計(jì)算機(jī)的常規(guī)互動中，鍵盤、鼠標(biāo)是最為常用的一組工具。但對屬于三維空間的虛擬現(xiàn)實(shí)世界而言，鍵盤、鼠標(biāo)實(shí)則難以完成前述使命。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）在探索這一現(xiàn)實(shí)難題的過程中，嘗試使用虛擬鍵盤和智能語言系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互。當(dāng)前技術(shù)下的虛擬鍵盤，多需要借助觸摸屏來作為媒介。諸如平板電腦和手機(jī)上的觸屏鍵盤，皆是虛擬鍵盤的應(yīng)用成果。與虛擬鍵盤相比，智能語音系統(tǒng)更為方便，且交互式體驗(yàn)更佳。但客觀而言，無論是各種語言的翻譯，還是人工智能的應(yīng)用，都是智能語言系統(tǒng)在研發(fā)過程中需要解決的實(shí)際難題。

用戶對于虛擬現(xiàn)實(shí)的感知，僅僅依靠視覺并不能完全達(dá)到“真假難辨”的程度。為了使虛擬世界更為真實(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）已開始向全方位的感官體驗(yàn)拓展。相較于利用三維計(jì)算機(jī)圖形模型技術(shù)生成圖像所提供的視覺感官，融合視覺、味覺、嗅覺、觸覺、痛覺等全方位虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的技術(shù)難度更甚。這就需要在VR系統(tǒng)中配置大量的芯片與傳感器來強(qiáng)化感官體驗(yàn)。譬如，通過在VR系統(tǒng)中設(shè)置的芳香擴(kuò)散器，可以讓用戶聞到四周的氣味；通過分布于VR體感衣全身的震動傳感器，可以讓用戶實(shí)現(xiàn)觸覺感官的體驗(yàn)；通過在VR體感衣或者游戲手柄中嵌入的內(nèi)置式芯片，則可以讓用戶真實(shí)感知到冷、熱的變化，從而浸潤至“身臨其境”之感。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境呈現(xiàn)出的人的活動，都需要借助專門設(shè)備進(jìn)行捕捉。為了獲得這些動作信號，就需要有運(yùn)動捕獲設(shè)備的介入。利用用戶身上安裝的各個慣性傳感器，可以將用戶的活動以動作信號的方式予以捕獲。此外，當(dāng)用戶戴上專門的數(shù)據(jù)手套后，手部活動時每個關(guān)節(jié)的活動角度，都可以被該手套所捕捉。

臨床實(shí)踐中的交互式虛擬現(xiàn)實(shí)平臺

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）對于社會生活的影響，已輻射到醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，并與人類健康事業(yè)的未來發(fā)展產(chǎn)生了直接聯(lián)系。

臨床醫(yī)生對于疾病的了解與掌握，多依賴于醫(yī)學(xué)教科書、平面解剖圖，以及臨床實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）的介入，可以讓醫(yī)生更為直觀、深入地把握某種疾病引起的原因。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）建立起的交互式虛擬現(xiàn)實(shí)平臺，可以在模擬人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、臟器活動的虛擬環(huán)境下，指導(dǎo)醫(yī)生在更為直觀了解某一疾病的基礎(chǔ)上，對引起該種疾病的潛在因素進(jìn)行檢查。

在人體結(jié)構(gòu)的掌握以及外科手術(shù)的訓(xùn)練方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）也可以發(fā)揮其獨(dú)特的功效。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）搭建起的虛擬仿真人體模型，以及VR虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、感覺手套等輔助工具，醫(yī)學(xué)生可以親臨其境般掌握人體各個器官的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）搭建的虛擬仿真人體模型，還可以幫助醫(yī)生進(jìn)行外科手術(shù)訓(xùn)練，以提升操作的熟練性，并尋求最佳的手術(shù)方案。以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）作為支撐的虛擬手術(shù)系統(tǒng)融合了人體組織動力學(xué)、移動流體學(xué)等近乎真實(shí)的虛擬仿真技術(shù)。在這一系統(tǒng)中，虛擬的病人不僅會出血，還會因手術(shù)活動而產(chǎn)生各類反應(yīng)。醫(yī)生在這一虛擬但近乎真實(shí)的環(huán)境下，不僅可以規(guī)避給真實(shí)病人動手術(shù)時可能帶來的風(fēng)險，更能在實(shí)施各類復(fù)雜手術(shù)的過程中提升自己的專業(yè)技能。

除了醫(yī)療教育、培訓(xùn)外，治療患者也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）大展身手的重要舞臺。各類疾病中，心理疾病對于病患而言可謂是一個看不見的“殺手”。如今，有了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）的介入，可以有效幫助自閉癥兒童學(xué)習(xí)互動技能。其利用腦計(jì)算機(jī)監(jiān)測與大腦成像技術(shù)，構(gòu)建虛擬場景，讓自閉癥兒童置身于近乎真實(shí)的工作、生活、面試、社交等社會活動之中。通過該技術(shù)，不僅可以增進(jìn)自閉癥兒童對社會的了解，更可訓(xùn)練其情感表達(dá)方式符合社會的認(rèn)可，從而順利融入社會。endprint

創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（Post-traumatic Stress Disorder，PTSD）能夠?qū)е履骋粋€體持續(xù)存在或延遲出現(xiàn)精神障礙。這一疾病的發(fā)生，與社會、家庭、心理、生物學(xué)等諸多因素相關(guān)。研究表明，重大創(chuàng)傷性事件是創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙發(fā)病的前提條件。因此在戰(zhàn)爭環(huán)境下，有的參戰(zhàn)士兵也會不幸患上這一疾病。為了更好地治療這一疾病，美國已將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）引入診療活動中。醫(yī)院在臨床診療中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）為患者搭建了一個安全、可控的虛擬戰(zhàn)爭環(huán)境，如模擬阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭等，以幫助退役士兵反復(fù)體驗(yàn)其所經(jīng)歷過的重大創(chuàng)傷性事件。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）的優(yōu)勢在于，其所模擬出的環(huán)境是根據(jù)個性化設(shè)計(jì)，且可以在安全范圍內(nèi)隨時由人予以暫定或重復(fù)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）的幫助，患者可以直面其恐懼、破除其逃避心理，進(jìn)而習(xí)得危機(jī)應(yīng)對策略。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）與心理學(xué)相交織的特點(diǎn)，令科學(xué)家也關(guān)注其在分心治療方法中的特殊作用。對于燒傷患者而言，其治療過程中的疼痛問題尤為突出。每次換藥對于燒傷病患而言，無疑都是一種折磨?？茖W(xué)家們想到了利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）來分散燒傷病患的注意力，采用分心治療方法來減少其在傷口處理時的疼痛感。為此，科學(xué)家研發(fā)了一款名為“冰雪世界”（Snow World）的虛擬現(xiàn)實(shí)視頻游戲。該游戲模擬出的世界中，不僅有著企鵝、雪人，還有著冰雪覆蓋的冰川、瀑布與河流。燒傷患者在接受治療時，可以沉浸至該游戲模擬出的畫面之中。在虛擬的環(huán)境下，患者可以向企鵝拋擲雪球或者穿越冰封的峽谷，完全融入至冰雪世界中，從而得以分散對于疼痛的注意力。簡言之，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）與分心治療法的結(jié)合，能夠阻礙燒傷患者大腦中的疼痛通路，抑制其自身的痛感，從而減輕其傷口換藥、理療等治療環(huán)節(jié)中的疼痛感覺。

除了醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）在軍事領(lǐng)域中也受到了高度矚目，并逐漸將其應(yīng)用于虛擬軍事訓(xùn)練、設(shè)備模擬操作、飛機(jī)設(shè)備模擬維修等方面。

軍事領(lǐng)域中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

傳統(tǒng)軍事訓(xùn)練中，實(shí)彈的消耗、設(shè)備的損耗都會造成巨額費(fèi)用的開支，更有可能帶來人員的傷亡。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）所進(jìn)行的演習(xí)，其成本僅僅只有傳統(tǒng)實(shí)彈演習(xí)的數(shù)百分之一，且可減少武器的損耗，對于人員而言也可實(shí)現(xiàn)零傷亡。

軍事類電腦游戲?qū)τ谟螒蛎詠碚f并不陌生，但借用游戲來進(jìn)行戰(zhàn)場模擬，并對士兵進(jìn)行訓(xùn)練則是近年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）應(yīng)用的成果。目前，一套名為“可拆式士兵訓(xùn)練系統(tǒng)”（Dismounted Soldier Training System）已將游戲融合了士兵訓(xùn)練過程。該系統(tǒng)可謂世界上首個高度仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠逼真模擬出各類戰(zhàn)場環(huán)境與情形。普通軍事類游戲中，用戶都是坐在計(jì)算機(jī)之前，使用鼠標(biāo)進(jìn)行游戲的操作。然而，僅僅通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊所獲得的體驗(yàn)，與手持武器所獲得的真實(shí)感相比，實(shí)在相去甚遠(yuǎn)。為了獲得“近乎真實(shí)”的全方位感官，“可拆式士兵訓(xùn)練系統(tǒng)”利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）模擬真實(shí)環(huán)境下的各類戰(zhàn)場情形，并配有相應(yīng)硬件設(shè)置，包括能夠滿足一個小隊(duì)兵力穿戴的模擬裝置、一個用于演習(xí)控制的工作站、一個前景回溯工作站以及數(shù)個多功能工作站。與此同時，應(yīng)用該模擬訓(xùn)練器進(jìn)行的演習(xí)與傳統(tǒng)軍事演習(xí)也截然不同，其完全是在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行，每名士兵都會擁有10平方米左右的活動場地。接受訓(xùn)練的士兵需要全副武器，并穿戴上布滿傳感器的護(hù)具、頭盔，以及頭戴式顯示器。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r捕捉到參訓(xùn)士兵的所有動作與實(shí)施，并在模擬軟件中全方位呈現(xiàn)該名士兵的戰(zhàn)訓(xùn)能力。

飛行器維修及跳傘虛擬模擬中的VR技術(shù)

除模擬戰(zhàn)場訓(xùn)練外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）在飛行器維修的虛擬仿真訓(xùn)練中也有著創(chuàng)新性的應(yīng)用。美國波音公司在其最新研發(fā)的一款飛行器維修訓(xùn)練系統(tǒng)中，就專門引入了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）。該系統(tǒng)通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR），對飛行器進(jìn)行了三維建模。訓(xùn)練人員在這一虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境下，不僅能夠在360度視角下對“待修理飛機(jī)”進(jìn)行全方位、無死角觀察，還可以使用模擬器來實(shí)施并完成所有的維修工作。同時，該系統(tǒng)能夠?qū)⒂?xùn)練者的訓(xùn)練全過程視頻錄制后發(fā)送給位于世界各地的訓(xùn)練管理人員，以便于對維修訓(xùn)練成果與訓(xùn)練中可能存在的問題進(jìn)行及時評判。

跳傘，又被世人稱之為“勇敢者的運(yùn)動”，這也反映出了跳傘的驚險性與挑戰(zhàn)性。對于空降士兵而言，跳傘則是其必備的一項(xiàng)技能。在跳傘訓(xùn)練中，有沒有一種既高效，又安全的訓(xùn)練方法呢？答案就在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）之中。當(dāng)前，一種利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）打造的，能夠?qū)μ鴤慊顒又械亩喾N感官體驗(yàn)進(jìn)行模擬仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已應(yīng)用至士兵的跳傘訓(xùn)練之中。士兵在進(jìn)行虛擬仿真訓(xùn)練時，需要戴上專用的VR眼鏡，穿戴有計(jì)算機(jī)控制的背帶系統(tǒng)。在模擬仿真系統(tǒng)的配合下，訓(xùn)練者可以以第一視角的角度同步觀察其身處空中的環(huán)境情況，并在跳傘操縱的感覺中體驗(yàn)自身姿態(tài)的變化。與此同時，訓(xùn)練管理人員則能夠以第三人稱視角來監(jiān)控訓(xùn)練者的跳傘情況，并及時判斷和處置可能出現(xiàn)的各類特殊情況。

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.comendprint