虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

喻斌 朱柯 吳開(kāi)騰

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)能夠有效模擬現(xiàn)實(shí)情境并能進(jìn)行人機(jī)交互的高級(jí)技術(shù)，集合人工智能、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)等多種技術(shù)，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。本文介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征和分類(lèi)，對(duì)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行間接，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提出展望。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；特征；分類(lèi)；現(xiàn)狀；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）08-0215-02

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)和電子軟件，通過(guò)建模技術(shù)搭建虛擬場(chǎng)景，利用立體顯示技術(shù)在各個(gè)平臺(tái)上展現(xiàn)，結(jié)合傳感器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)包括視覺(jué)感知、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等多種感知功能，并可輸入各種動(dòng)作數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)虛擬技術(shù)的沉浸感，達(dá)到人機(jī)交互的目的。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology，VRT）是一種與傳統(tǒng)文字、聲音及終端視頻的簡(jiǎn)單信息獲取技術(shù)不同的新技術(shù)，能夠借助建模技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行模擬并結(jié)合相關(guān)傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)用戶身臨其境的感受，允許各種現(xiàn)實(shí)信息輸入的功能，包括動(dòng)作、語(yǔ)音等實(shí)現(xiàn)用戶在虛擬環(huán)境下的可控性，達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的效果。在現(xiàn)在科技水平進(jìn)步，人們生活水平及生活環(huán)境極其豐富的狀態(tài)下，廣泛應(yīng)用于包括教育、醫(yī)療、軍事、娛樂(lè)等各個(gè)領(lǐng)域。

2 基本特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最基本的特征為：沉浸感、交互感及想象感，1993年Burdea G[1]曾提出一個(gè)“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三角形”來(lái)表述其三個(gè)基本特征，即“3I”，分別是Immersion—Immersion，沉浸感是指通過(guò)借助特殊設(shè)備，使用戶能夠感到作為主角存在于模擬環(huán)境中，提供一種身臨其境的感覺(jué)。它是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心。

Interaction，交互性是指參與者可以通過(guò)人機(jī)交互及各種感應(yīng)設(shè)備，在模擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的動(dòng)作行為，如體感游戲中實(shí)現(xiàn)跑、跳等，或在視頻瀏覽中能夠通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)頭部切換視頻的視角等，是人機(jī)和諧的關(guān)鍵因素。

Imagination，想象性是指用戶通過(guò)沉浸感及交互性，對(duì)虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行聯(lián)想，了解其運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三大基本特征：交互性、沉浸性及想象性，使用戶能夠沉浸在虛擬環(huán)境，又控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，超越現(xiàn)有的場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)，有足夠的想象空間，強(qiáng)調(diào)了人的主導(dǎo)作用，而沉浸和交互又是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)區(qū)別于其他相關(guān)技術(shù)，如三維動(dòng)畫(huà)等的本質(zhì)區(qū)別。

3 一般分類(lèi)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)根據(jù)展現(xiàn)方式及操作方式不同，大致可分為四類(lèi)，即：桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[3]。桌面式主要使用PC端普通顯示器或是立體顯示器供用戶觀測(cè)虛擬情景，用戶沉浸感較差；增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠使用戶既能觀測(cè)到虛擬環(huán)境又能看到真實(shí)環(huán)境；沉浸式一般借助于頭盔式顯示器、定位器等設(shè)備，增強(qiáng)用戶在虛擬情景中的沉浸感；網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以借助網(wǎng)絡(luò)等使位于不同地點(diǎn)的用戶聯(lián)系起來(lái)，對(duì)同一虛擬情境進(jìn)行觀察和操作。

4 關(guān)鍵技術(shù)

一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要提供虛擬環(huán)境、顯示功能、人機(jī)交互等，這使得其關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個(gè)部分：

1） 動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)：是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的第一步，可利用相關(guān)軟件結(jié)合相關(guān)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，進(jìn)行虛擬環(huán)境的搭建，目前階段應(yīng)用較廣泛的軟件有3DS MAX、CAD、VRP等。

2） 立體顯示技術(shù)：當(dāng)虛擬的三維環(huán)境構(gòu)建完成后，若要被用戶觀測(cè)到，必須借助立體顯示技術(shù)使之能夠在各終端顯示，如普通PC端、手機(jī)顯示端、頭盔設(shè)備等。

3） 傳感技術(shù)：若完成前兩種功能，只能夠達(dá)到用戶能夠被動(dòng)的觀察所構(gòu)建的三維虛擬情景，并不能主動(dòng)參與到其中，完成模擬現(xiàn)實(shí)的功能，因此，為達(dá)到這種功能，需要利用傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能，并通過(guò)定位等實(shí)現(xiàn)自主的控制虛擬情景里的事物。

4） 系統(tǒng)集成技術(shù)：系統(tǒng)集成技術(shù)是最關(guān)鍵的技術(shù)，相當(dāng)于人體大腦，把各種技術(shù)按照一定規(guī)則進(jìn)行協(xié)調(diào)、整合，使各相關(guān)技術(shù)均能協(xié)調(diào)合作，形成完整的VR系統(tǒng)。

5） 應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具及軟件：制作一個(gè)完整的VR作品，需要借助一定的工具和軟件，完成上述關(guān)鍵技術(shù)，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用較多的軟件包括unity等。

5 研究現(xiàn)狀

目前，美國(guó)和日本的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。美國(guó)是VR技術(shù)的發(fā)源地，基本代表國(guó)際VR發(fā)展的水平，目前該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集中在感知、用戶界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面[4]。實(shí)際上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起源于美國(guó)，1929年，Edwin Link進(jìn)行了第一次模擬仿真實(shí)驗(yàn)，著手研究一種能夠使乘坐者感受飛行感覺(jué)的飛行模擬器。1989年，Jaron Lanier首次正式提出“Virtual Reality”一詞[5]，并被廣泛接受，成為專(zhuān)用名詞。日本主要致力于建立大規(guī)模VR知識(shí)庫(kù)的研究以及虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲方面的研究。NEC公司開(kāi)發(fā)了一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，能讓操作者都使用“代用手”去處理三維CAD中的形體模型，通過(guò)數(shù)據(jù)手套把對(duì)模型的處理與操作者手的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)；富士通實(shí)驗(yàn)室有限公司研究了虛擬生物與VR環(huán)境的相互作用，以及虛擬現(xiàn)實(shí)的手勢(shì)識(shí)別，開(kāi)發(fā)了一套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)姿勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)[6]。

和發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的VR研究起步較晚，但隨著科技進(jìn)步，各個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，VR技術(shù)已經(jīng)受到了越來(lái)越多的部門(mén)及專(zhuān)家的重視。其中，北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系是國(guó)內(nèi)最先進(jìn)行VR研究的，目前，提供了用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)；中國(guó)科技開(kāi)發(fā)院威海分院主要研究虛擬現(xiàn)實(shí)中視覺(jué)接口技術(shù)，完成了虛擬現(xiàn)實(shí)中的體現(xiàn)圖像對(duì)算法回顯及軟件接口[7]；清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)系對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)和臨場(chǎng)感的方面進(jìn)行了研究等。目前，各大重點(diǎn)高校重點(diǎn)部門(mén)都已在VR各技術(shù)方面進(jìn)行相關(guān)研究，做出了很大貢獻(xiàn)。

6 應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟和功能的強(qiáng)大，由于通過(guò)模擬的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)等能夠節(jié)省時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本的優(yōu)勢(shì)，各個(gè)領(lǐng)域都積極引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。最初，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要應(yīng)用與軍事領(lǐng)域，目前，因其強(qiáng)大的功能性及適應(yīng)性，遍及到商業(yè)、建筑、醫(yī)療、交通、教育和通信等諸多領(lǐng)域。

軍事[8]應(yīng)用主要包括虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、軍事訓(xùn)練和武器裝備的研制和開(kāi)發(fā)等；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在商業(yè)[9]上的應(yīng)用最多集中于游戲開(kāi)發(fā)等，包括Unity3D等游戲制作工具等，與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)的有模擬真實(shí)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)與交互娛樂(lè)的結(jié)合，使游戲的感覺(jué)更感性；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在臨床醫(yī)療[10]中開(kāi)展相關(guān)測(cè)試和手術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用于手術(shù)培訓(xùn)、手術(shù)預(yù)演、臨床診斷、遠(yuǎn)程干預(yù)、醫(yī)學(xué)輔助教學(xué)等環(huán)節(jié)，羅偉等采用建模技術(shù)構(gòu)建肝臟、膽囊等模型，逼真度極高，并通過(guò)虛擬手術(shù)對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，取得了一定的成果，還有在心理治療方面取得了很大的成果，如自閉癥兒童的VR游戲治療等；在建筑[11]方面，區(qū)別于傳統(tǒng)的二維建模手段，以3DSMAX為代表的三維建模軟件使得建筑行業(yè)進(jìn)入3維時(shí)代，不再利用立面、剖面等各個(gè)平面進(jìn)行建模，能更有效地對(duì)圖形進(jìn)行設(shè)計(jì)及修改，但不能進(jìn)行交互，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得人們可以走進(jìn)一個(gè)完全基于真實(shí)世界的虛擬空間之中，更加真實(shí)詳盡的感受三維世界；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在交通行業(yè)的應(yīng)用，促進(jìn)了交通仿真技術(shù)的進(jìn)步，楊曉光等[12]把虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于交通工程實(shí)驗(yàn)之中，能夠清楚直觀地再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的交通流，有利于試驗(yàn)結(jié)構(gòu)及結(jié)論的優(yōu)化；虛擬現(xiàn)實(shí)教育技術(shù)方面的研究主要表現(xiàn)為虛擬仿真效應(yīng)，天津大學(xué)在國(guó)內(nèi)最早開(kāi)發(fā)了基于VRML國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的虛擬校園，成為這一領(lǐng)域的先驅(qū)，其后，還有浙江大學(xué)中央廣播電視大學(xué)遠(yuǎn)程教育學(xué)院等進(jìn)行了應(yīng)用。

7 展望

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)利用多項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬情景構(gòu)建及人機(jī)交互的高級(jí)技術(shù)，由于該技術(shù)沉浸感、交互性和想象性的特征及強(qiáng)大功能使其在多個(gè)領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用并取得了一定的成果。

客觀地說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展目前來(lái)說(shuō)還不夠成熟，主要在建模時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性需要有所提升；感官體驗(yàn)不強(qiáng)，如有的頭盔式設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間攜帶會(huì)造成體驗(yàn)者頭暈的狀況，定位感應(yīng)系統(tǒng)不夠靈敏等狀況。未來(lái)VR技術(shù)的發(fā)展還需要在軟件和硬件方面加深研究，使環(huán)境模擬和體驗(yàn)效果能夠更加符合現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)舒適性。

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