虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

王子騰

摘 要 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是當(dāng)代蓬勃發(fā)展的熱門(mén)技術(shù)，其在各行各業(yè)所能創(chuàng)造的價(jià)值吸引著眾多學(xué)者投身研究。文章將簡(jiǎn)單介紹虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展歷史、技術(shù)原理以及在生活中的應(yīng)用，并簡(jiǎn)要分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)；沉浸性；實(shí)時(shí)交互行；構(gòu)想性

中圖分類(lèi)號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）221-0159-02

幾個(gè)月前，一部名叫《頭號(hào)玩家》的電影沖擊了整個(gè)電影界。在電影中人們只要戴上一種頭盔就能進(jìn)入一個(gè)與混亂的現(xiàn)實(shí)世界形成鮮明反差的虛擬世界，并在這個(gè)虛擬世界中扮演各種各樣的英雄，實(shí)現(xiàn)各種各樣的夢(mèng)想。電影中的這項(xiàng)神奇的技術(shù)正是這幾年計(jì)算機(jī)界飛速發(fā)展的熱門(mén)技術(shù)——虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為人們提供非同尋常的趣味體驗(yàn)并在各行各業(yè)上發(fā)揮價(jià)值。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)的概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)即VR又稱(chēng)靈境技術(shù)，人工環(huán)境，是一種用計(jì)算機(jī)模擬出一個(gè)虛擬的三維空間環(huán)境，使用戶(hù)可以借助特殊的硬件軟件來(lái)獲得視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官感受，且計(jì)算機(jī)能夠感知用戶(hù)的位置，動(dòng)作等狀態(tài)并作出回應(yīng)，通過(guò)人機(jī)交互讓用戶(hù)獲得一種真實(shí)感與身臨其境的感覺(jué)。

1）虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展歷史。我認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展可以被劃分為幾個(gè)階段。

（1）第一階段。首先是1968年前的科學(xué)幻想階段，在這個(gè)階段誕生了幾位“科學(xué)幻想派”科學(xué)家，他們?cè)诩埳蠈?duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作出了自己的設(shè)想，這些科學(xué)家幻想出的VR設(shè)備在外觀上已經(jīng)與今日的VR十分相似。（2）第二階段。接著第二階段1968年至1985年是VR的初步萌芽階段[1]，在這個(gè)階段中出現(xiàn)了VR的雛形，如“達(dá)摩克利斯之劍”，這款VR設(shè)備由于重量過(guò)重而不得不被懸吊在天花板上以減輕用戶(hù)負(fù)載。（3）第三階段。第三階段1985年至20世紀(jì)末是VR的應(yīng)用與發(fā)展階段[2]，在這個(gè)階段VR開(kāi)始滲透到人們的生活之中，主要以游戲娛樂(lè)領(lǐng)域?yàn)橹?，但是由于其昂貴的售價(jià)、當(dāng)時(shí)匱乏的軟硬件資源、有限的技術(shù)過(guò)于超前的VR概念，VR設(shè)備并沒(méi)有獲得市場(chǎng)的認(rèn)可，與此同時(shí)，美國(guó)航天局NASA已經(jīng)將VR技術(shù)應(yīng)用到了載人航天上，如圖三所示，無(wú)論其命名、設(shè)計(jì)、還是用戶(hù)體驗(yàn)都跟今天的VR類(lèi)似。（4）第四階段。最后一個(gè)階段是21世紀(jì)初至今，進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了大批現(xiàn)代VR新技術(shù)理念與新設(shè)備，但VR的發(fā)展至今遠(yuǎn)未成熟，還有很長(zhǎng)的一段路要走。

2）虛擬現(xiàn)實(shí)的特性。（1）沉浸性。與過(guò)去人們只能觀測(cè)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)及處理結(jié)果不同，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所模擬出的虛擬環(huán)境能為使用者帶來(lái)真實(shí)的沉浸體驗(yàn)，使用戶(hù)沉浸到整個(gè)系統(tǒng)中。（2）實(shí)時(shí)交互性。與過(guò)去人們只能使用單一的鍵盤(pán)、鼠標(biāo)來(lái)與計(jì)算機(jī)交互不同，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用戶(hù)可以利用各種先進(jìn)的傳感器來(lái)獲得與計(jì)算機(jī)更加生動(dòng)直接的交互體驗(yàn)。（3）構(gòu)想性。與過(guò)去人們通過(guò)計(jì)算機(jī)的定量計(jì)算來(lái)認(rèn)識(shí)事物不同，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能給用戶(hù)提供一個(gè)全新的，構(gòu)想性的虛擬環(huán)境來(lái)激發(fā)人們的靈感從而加深對(duì)事物的認(rèn)識(shí)。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)的有關(guān)技術(shù)

1）空間定位技術(shù)。由于用戶(hù)在使用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所佩戴的封閉式頭戴顯示器會(huì)被暫時(shí)隔斷與外界環(huán)境的聯(lián)系，用戶(hù)的安全難以保障，一套成熟的空間定位方案不僅可以獲取用戶(hù)的實(shí)時(shí)位置以確保用戶(hù)的安全，還可以獲取用戶(hù)的姿態(tài)來(lái)感知用戶(hù)的行為并更好地提供反饋，所以空間定位技術(shù)對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是十分重要的。

（1）激光定位技術(shù)。激光定位技術(shù)的基本原理就是在房間內(nèi)放置若干個(gè)激光發(fā)射器對(duì)定位空間內(nèi)掃射激被定位的物體上安置了數(shù)個(gè)激光接收器，通過(guò)計(jì)算不同光線(xiàn)到達(dá)被定位物體的角度差從而獲得物體的三維坐標(biāo)。物體移動(dòng)時(shí)通過(guò)三維坐標(biāo)的變化來(lái)獲知物體的運(yùn)動(dòng)信息。激光定位技術(shù)精度高，延遲極低，同時(shí)支持定位多個(gè)目標(biāo)，但其價(jià)格昂貴且耐用性低。代表技術(shù)有HTC Vive的Lighthouse定位技術(shù)。（2）紅外光學(xué)定位技術(shù)。紅外光學(xué)定位技術(shù)分外被動(dòng)式與主動(dòng)式。被動(dòng)式紅外光學(xué)定位技術(shù)的基本原理是在房間內(nèi)放置若干個(gè)紅外攝像機(jī)，被定位物體表面覆蓋有多個(gè)紅外反射點(diǎn)，紅外攝像機(jī)捕捉這些反射點(diǎn)后再經(jīng)過(guò)后續(xù)計(jì)算，就能的知物體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與空間位置。而主動(dòng)式紅外光學(xué)定位技術(shù)的基本原理是在被定位物體上放置可以發(fā)出紅外線(xiàn)的紅外燈。相對(duì)于被動(dòng)式，主動(dòng)式的造價(jià)要低廉得多，而其精度與壽命也較客觀，非常適合推廣。其缺點(diǎn)是受限于攝像頭的可視角度，用戶(hù)的活動(dòng)范圍與角度不能太大。使用此技術(shù)的代表產(chǎn)品有Oculus Rift。

2）實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形。三維計(jì)算機(jī)圖形不難生成l，但VR所需三維計(jì)算機(jī)圖形的高精度與實(shí)時(shí)性對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

3）立體顯示技術(shù)。要想獲得真實(shí)的沉浸感，立體顯示是必不可少的。由于人的兩只眼睛存在間距，其各自所獲取的圖像略有不同，經(jīng)過(guò)大腦的融合，最終使看見(jiàn)的物體有空間立體感。VR中所用到的頭盔顯示器大多利用了此原理，使用兩個(gè)顯示器分別向兩個(gè)眼睛提供具有微小差別的圖像，經(jīng)由大腦感知后獲得立體圖像。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)的有關(guān)應(yīng)用

1）教學(xué)。一個(gè)國(guó)家的教育水平直接影響著國(guó)家的綜合實(shí)力，國(guó)家的發(fā)展離不開(kāi)教育的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能為教育提供特定的虛擬環(huán)境，為學(xué)生帶來(lái)沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，能夠集中學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與靈感。試想在未來(lái)的歷史課堂上，學(xué)生能夠借助VR技術(shù)脫離課本上枯燥的文字，進(jìn)入虛擬世界親身體驗(yàn)多年前發(fā)生的歷史事件，這不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還有助于學(xué)生對(duì)歷史事件的理解與記憶。

2）娛樂(lè)。娛樂(lè)是當(dāng)今VR技術(shù)的主攻方向之一且已小有成效，其中以游戲娛樂(lè)為主。借助VR強(qiáng)大的模擬功能，用戶(hù)可以親身體驗(yàn)各種平時(shí)難以體驗(yàn)的項(xiàng)目——隨時(shí)隨地滑一場(chǎng)雪，體驗(yàn)一場(chǎng)槍林彈雨，或是去森林里冒一場(chǎng)險(xiǎn)，坐一趟刺激的云霄飛車(chē)，又或是到海邊散步，走訪(fǎng)一下異國(guó)他鄉(xiāng)VR強(qiáng)大的構(gòu)想性幾乎可以滿(mǎn)足人們的任何體驗(yàn)需求。

3）建筑。在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師們主要運(yùn)用草圖和語(yǔ)言文字來(lái)展現(xiàn)自己的觀點(diǎn)，這不但需要大量的工作時(shí)間，還容易受到設(shè)計(jì)師表達(dá)能力的限制。但借助VR技術(shù)，使計(jì)算機(jī)生成三維空間建筑模型，設(shè)計(jì)人員只要戴上頭戴式顯示器就能進(jìn)入正在設(shè)計(jì)的建筑內(nèi)，預(yù)覽建筑效果，多視角觀測(cè)設(shè)計(jì)方案，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。這不但減輕了設(shè)計(jì)師作圖修圖的工作量，還能避免設(shè)計(jì)師過(guò)分依賴(lài)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)致實(shí)際效果與方案預(yù)計(jì)產(chǎn)生較大差異。

4）軍事。軍事仿真訓(xùn)練是VR的重要研究領(lǐng)域之一。VR技術(shù)的發(fā)展給軍事演習(xí)演練帶來(lái)了革命性的發(fā)展。VR技術(shù)在實(shí)戰(zhàn)上依然可以有所貢獻(xiàn)。隨著時(shí)代的發(fā)展，無(wú)人化與自動(dòng)化越來(lái)越普及，未來(lái)的打擊恐怖分子行動(dòng)中，已經(jīng)沒(méi)有陸軍上陣，取而代之的是遠(yuǎn)程操控機(jī)器人。駕駛員可以在幾千里之外利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行操控，VR的沉浸式體驗(yàn)可以提供身臨戰(zhàn)場(chǎng)的感覺(jué)。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)目前的局限性及未來(lái)的發(fā)展方向

1）畫(huà)面清晰度。畫(huà)面清晰度直接影響著用戶(hù)的體驗(yàn)。清晰的畫(huà)面可以給用戶(hù)帶來(lái)真實(shí)沉浸的體驗(yàn)，但不清晰的畫(huà)面會(huì)傷害用戶(hù)的視力甚至帶來(lái)頭暈惡心的嚴(yán)重身體危害。但VR圖形對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求是非常高的。以目前的計(jì)算機(jī)性能無(wú)法在VR上達(dá)到與二維顯示器一樣的圖像清晰度，所以難免會(huì)出現(xiàn)紗窗效應(yīng)，影響人們的體驗(yàn)。在計(jì)算機(jī)性能不足的今天，也出現(xiàn)了一些解決方案，代表性的一種方案利用了眼球追蹤技術(shù)，通過(guò)追蹤人們的眼球來(lái)判斷用戶(hù)目前正在注視的位置，然后集中運(yùn)算資源來(lái)描繪這個(gè)區(qū)域，犧牲其他位置的清晰度來(lái)保證用戶(hù)體驗(yàn)。但想要從根本上解決這個(gè)問(wèn)題，只有改善VR設(shè)備與計(jì)算機(jī)的性能，這需要我們長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)。

2）使用舒適度。理想中的VR應(yīng)使人完全沉浸到虛擬世界中，但當(dāng)今VR繁瑣的限制難以讓人長(zhǎng)時(shí)間投入虛擬世界。比如說(shuō)，用戶(hù)身后冗長(zhǎng)的電纜時(shí)刻束縛著用戶(hù)的姿態(tài)且威脅到用戶(hù)的安全。為解決這個(gè)問(wèn)題，HTC已推出了無(wú)線(xiàn)版的Vive，其無(wú)線(xiàn)設(shè)計(jì)大幅改善了用戶(hù)體驗(yàn)，但為之付出代價(jià)的是用戶(hù)必須隨身負(fù)載一塊重量不菲的電池來(lái)維持設(shè)備運(yùn)行。本身不輕的頭盔再加上一塊電池，無(wú)疑大大增加了用戶(hù)負(fù)擔(dān)，增加了用戶(hù)頸部、背部病變的風(fēng)險(xiǎn)。要解決這個(gè)問(wèn)題，只要通過(guò)技術(shù)發(fā)展，通過(guò)減小芯片制程，使用高強(qiáng)度低密度材料，增大電池密度等手段來(lái)減輕用戶(hù)負(fù)擔(dān)，改善用戶(hù)體驗(yàn)。

3）交互體驗(yàn)。要想獲得真實(shí)的VR體驗(yàn)，良好的交互體驗(yàn)是必不可少的。目前VR設(shè)備所能提供的反饋極為有限，通常僅有視覺(jué)，聲覺(jué)上的反饋，缺少其他感官的交互。而且由于狹小的室內(nèi)空間，VR設(shè)備只能捕捉用戶(hù)簡(jiǎn)單的動(dòng)作，用戶(hù)難以通過(guò)真實(shí)的跑動(dòng)來(lái)向VR設(shè)備輸入動(dòng)作信息。對(duì)于上述問(wèn)題，目前都已有解決方案，如穿戴觸覺(jué)手套、觸覺(jué)背心，都能給予用戶(hù)的觸覺(jué)反饋體驗(yàn)；而使用全向跑步機(jī)則可以改善用戶(hù)的體感體驗(yàn)。未來(lái)還可以通過(guò)技術(shù)手段來(lái)增使用戶(hù)獲得嗅覺(jué)體驗(yàn)與全身觸覺(jué)，介時(shí)用戶(hù)就真的可以完全沉浸到虛擬世界中了。

5 結(jié)論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)被我們熟知，但其硬件性能還不夠完美。當(dāng)我們完善這項(xiàng)技術(shù)的內(nèi)容和性能，激發(fā)出它的潛力后，它就會(huì)走上21世紀(jì)的舞臺(tái)中央，走進(jìn)平常百姓家中，改變我們每一個(gè)人的生活。

參考文獻(xiàn)

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