淺析虛擬操作技術(shù)

劉人瑋

（株洲市第二中學(xué)，湖南株洲，412000）

0 引言

當(dāng)代社會(huì)發(fā)展十分迅速，技術(shù)水平日新月異。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，也產(chǎn)生了很多高危職業(yè)，同時(shí)也加劇了地球資源消耗，因此發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)刻不容緩。若想解決這一問(wèn)題，首當(dāng)其沖的就是發(fā)展當(dāng)前的虛擬操作技術(shù)。虛擬操作技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)相互結(jié)合的一種應(yīng)用技術(shù)[1]。

現(xiàn)如今，虛擬技術(shù)已經(jīng)可以模擬出一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界物理原理基本一致的世界。但唯一的不足就在于虛擬操作技術(shù)的發(fā)展還過(guò)于滯后。從設(shè)備到現(xiàn)有的操作方式都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到人們的要求，遠(yuǎn)不能達(dá)到應(yīng)有的沉浸感。

與現(xiàn)實(shí)世界的操作相較，虛擬操作應(yīng)當(dāng)具有良好的可操作性，以保證操作者可以高效，安全地完成操作，在此基礎(chǔ)上，還可以重復(fù)實(shí)驗(yàn)，即可以修改環(huán)境參數(shù)以模擬不同的環(huán)境，應(yīng)用于諸如航空航天等環(huán)境變化劇烈的情況；同時(shí)節(jié)約資源，真正做到完成實(shí)驗(yàn)僅僅消耗現(xiàn)實(shí)世界中的可再生資源從而達(dá)到與現(xiàn)實(shí)世界實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎一致的目的。

因此，本文首先論述了虛擬操作技術(shù)的研究意義，同時(shí)對(duì)當(dāng)今虛擬操作技術(shù)的研究和應(yīng)用情況進(jìn)行簡(jiǎn)述，最后給出一種虛擬操作系統(tǒng)構(gòu)建的方法。

1 虛擬操作技術(shù)的研究意義

虛擬操作技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)現(xiàn)實(shí)各種環(huán)境的模擬，以達(dá)到不同環(huán)境下的行動(dòng)的效果。所以行動(dòng)的目的就是發(fā)展虛擬操作技術(shù)的最終目的。但是這個(gè)最終目的對(duì)于不同人來(lái)說(shuō)都是不同的。而這個(gè)最終目的大致可分為三類(lèi)：安全、節(jié)約和實(shí)現(xiàn)。

眾所周知，現(xiàn)實(shí)生活中的資源是有限的，尤其是地球上已經(jīng)被人類(lèi)開(kāi)發(fā)了幾千年的資源，現(xiàn)在來(lái)看更是珍貴。因此便需要發(fā)展虛擬操作技術(shù)，只需人工將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)生成的世界，便可在現(xiàn)實(shí)世界的資源僅僅只是微量的消耗下，完成對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的探究。再者，人類(lèi)的大多數(shù)活動(dòng)都是會(huì)對(duì)人類(lèi)以至于其他生物和自然界造成很大的影響的，小的可能只是造成神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生痛的感覺(jué)，大的也可以造成生物的死亡甚至于滅絕。但是在虛擬操作技術(shù)的發(fā)展下，通過(guò)虛擬世界的模擬，現(xiàn)實(shí)世界中的這種事件完全可以避免。

并且，對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界中暫時(shí)做不到的事情，也可以在虛擬世界中完成。對(duì)于影視觀眾和游戲玩家來(lái)說(shuō)，虛擬操作技術(shù)的發(fā)展可以大大提高沉浸感，并以此提高滿足感。對(duì)科學(xué)研究而言，則可以通過(guò)虛擬操作技術(shù)完成當(dāng)下技術(shù)所達(dá)不到的領(lǐng)域。比如探究黑洞、模擬在其他星球上的生活等等，可以廣泛地應(yīng)用于物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。

2 虛擬操作技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

由于虛擬操作具有上述優(yōu)勢(shì)，所以現(xiàn)在很多國(guó)家，組織以及個(gè)人層面都在對(duì)虛擬操作技術(shù)進(jìn)行研究。所涉及的領(lǐng)域有戰(zhàn)爭(zhēng)、醫(yī)療、航空航天、材料及產(chǎn)品設(shè)計(jì)和駕駛等的模擬。比如美國(guó)的NASA現(xiàn)在正在研制一款太空機(jī)器人，可被太空站內(nèi)的使用者通過(guò)VR進(jìn)行操控[2]，并將數(shù)據(jù)傳給站外的機(jī)器人，從而在站內(nèi)就可以完成各種外部的維修或者其他任務(wù)。

目前，虛擬操作技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用是國(guó)際學(xué)界研究的重點(diǎn)課題，我國(guó)就有三十多所大學(xué)在對(duì)這一方向進(jìn)行研究，比如由中科院計(jì)算所和北醫(yī)一同研究的數(shù)字人就屬于此類(lèi)。在這里，可以通過(guò)建立一個(gè)空間中的三維坐標(biāo)系，并通過(guò)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)輸入，模擬出體內(nèi)的環(huán)境及實(shí)際狀況，在不對(duì)任何活體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的情況下達(dá)到模擬的效果。并通過(guò)數(shù)據(jù)手套和視覺(jué)上的模擬，以提高沉浸感，最終達(dá)到與實(shí)際實(shí)驗(yàn)或者實(shí)際手術(shù)相同的效果，以達(dá)到訓(xùn)練和研究的目的。

同時(shí)，虛擬操作技術(shù)也可以在軍事、旅游和文化教育方面進(jìn)行應(yīng)用。在軍事上，可對(duì)戰(zhàn)事進(jìn)行預(yù)測(cè)和決策模擬，以此估測(cè)作此決策會(huì)對(duì)戰(zhàn)事產(chǎn)生什么影響，以此來(lái)協(xié)助己方的戰(zhàn)時(shí)決策的制定；在旅游上，可對(duì)實(shí)地和當(dāng)?shù)赝撂禺a(chǎn)等進(jìn)行介紹和預(yù)覽，以此推動(dòng)當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展；在文化教育上，可以對(duì)很多的實(shí)物及其形成過(guò)程進(jìn)行模擬，例如在虛擬環(huán)境下重現(xiàn)胡夫金字塔、故宮博物院以及索菲亞大教堂；在手機(jī)和PC等終端上還原中學(xué)課本上的物理、化學(xué)、生物等學(xué)課的實(shí)驗(yàn)等。

此外，現(xiàn)在為大眾所廣泛了解的可能就是虛擬操作技術(shù)在游戲領(lǐng)域的應(yīng)用了。目前已有多個(gè)國(guó)家和公司在對(duì)游戲等的虛擬操作進(jìn)行研究。其中美國(guó)在硬件技術(shù)上處于絕對(duì)領(lǐng)先的地位，韓國(guó)、日本等國(guó)在軟件研發(fā)上也有著不俗的實(shí)力。

3 虛擬操作技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集和設(shè)計(jì)

對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的任何一個(gè)所需要的事件的數(shù)據(jù)都可以將它分作三個(gè)維度，模擬的數(shù)據(jù)也是一樣，用采集到的三維數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)的模擬生成一個(gè)模擬的，與現(xiàn)實(shí)世界無(wú)異的三維世界。

3.2 實(shí)驗(yàn)者數(shù)據(jù)采集

應(yīng)做到即時(shí)，協(xié)調(diào)，精準(zhǔn)。在絕大多數(shù)情況下，實(shí)驗(yàn)者會(huì)通過(guò)肢體的各項(xiàng)活動(dòng)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以此數(shù)據(jù)的變化也是十分迅速的。所以可以通過(guò)可穿戴設(shè)備對(duì)于實(shí)驗(yàn)者的行為進(jìn)行及時(shí)采集并且將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至計(jì)算機(jī)，以便計(jì)算機(jī)對(duì)下一步發(fā)展進(jìn)行模擬。從另一個(gè)思路上來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)攝像頭等設(shè)備對(duì)反應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其他與前一個(gè)思路一致。第二個(gè)思路對(duì)技術(shù)要求更高，但是對(duì)于室內(nèi)操作的操作者來(lái)說(shuō)相對(duì)更安全，可以避免因?yàn)榭纱┐髟O(shè)備屏蔽視線而導(dǎo)致的撞擊或踩空導(dǎo)致的受傷甚至死亡。而可穿戴設(shè)備可以通過(guò)許多的關(guān)節(jié)處的壓力感受位點(diǎn)綜合收集數(shù)據(jù)模擬出使用者的動(dòng)作以及力度，并以此即時(shí)上傳，并將計(jì)算機(jī)的反饋數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)娇纱┐髟O(shè)備。如果有可能，可以通過(guò)電信號(hào)傳輸進(jìn)入人體的神經(jīng)系統(tǒng)，產(chǎn)生感覺(jué)但是并不會(huì)產(chǎn)生實(shí)際傷害。并且根據(jù)需要模擬的不同環(huán)境，佩戴不同部位的可穿戴設(shè)備。用于醫(yī)療方面的大多數(shù)可以僅佩戴手部手套，用于體育訓(xùn)練以及軍事需佩戴手部、肘部、膝蓋以及腳部等部位的可穿戴設(shè)備等。

3.3 沉浸感的提高

對(duì)于虛擬世界的真實(shí)度應(yīng)該要高，否則兩個(gè)不同的環(huán)境很難達(dá)到訓(xùn)練的目的。而提高沉浸感的要求又大致有以下幾點(diǎn)：提高圖像真實(shí)感；提高物理環(huán)境真實(shí)感；提高操作的即時(shí)性，協(xié)調(diào)性與真實(shí)感[3]。第三點(diǎn)已在前面設(shè)計(jì)過(guò)了。對(duì)于平面圖像，當(dāng)下技術(shù)已可以做到很清晰與真實(shí)。但是對(duì)于模擬出一個(gè)三維的世界就很困難。如果是一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界中存在的環(huán)境，可以在當(dāng)前環(huán)境中選取一個(gè)原點(diǎn)，將四周的圖像記錄下來(lái)，并對(duì)每一個(gè)物體取一個(gè)水平面坐標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，將一個(gè)高度坐標(biāo)輸入至每一個(gè)平面坐標(biāo)中。而對(duì)于任意一個(gè)物體，可以先建立一個(gè)模型，將其大致形狀設(shè)計(jì)出來(lái)，再用游戲中的思路，用一種俗稱為“空氣墻”的設(shè)計(jì)填充進(jìn)去，再對(duì)這個(gè)物體的行為進(jìn)行設(shè)計(jì)，在滿足運(yùn)動(dòng)規(guī)律，物理規(guī)律的前提下，盡可能地設(shè)計(jì)出這個(gè)生物的習(xí)性，在這些完成之后，大致就形成了一個(gè)世界。而對(duì)于一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界中不對(duì)應(yīng)存在的環(huán)境，可以使用一個(gè)現(xiàn)實(shí)環(huán)境，而在物理規(guī)律和運(yùn)動(dòng)規(guī)律上模擬出那個(gè)世界。

而對(duì)于物理規(guī)律，可以將使用者視為一個(gè)“物體”，普通物體的質(zhì)量通過(guò)數(shù)據(jù)直接輸入，使用者則通過(guò)腳部的可穿戴設(shè)備上的壓力感受位點(diǎn)得出的數(shù)據(jù)輸入。任何物體在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)刻都要進(jìn)行物理量的運(yùn)算，并得出力，速度等，對(duì)于使用者則需要計(jì)算機(jī)將得出的物理量傳輸?shù)娇纱┐髟O(shè)備，并對(duì)使用者產(chǎn)生作用，以此提高真實(shí)感。

4 結(jié)論

本文簡(jiǎn)述了虛擬操作技術(shù)的意義、研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀以及其實(shí)現(xiàn)的方式。虛擬操作技術(shù)是VR技術(shù)在實(shí)際工程領(lǐng)域的應(yīng)用方向，在現(xiàn)今的大背景之下，一定會(huì)在不久的將來(lái)得到更為廣泛的應(yīng)用。