虛擬現(xiàn)實操作系統(tǒng)的應用研究

田建勇 江興銘 馮靖洪

摘要：隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、網(wǎng)絡技術以及硬件技術的快速發(fā)展，不管是國內(nèi)還是國外都在進一步的大力發(fā)展虛擬現(xiàn)實技術。這也是如今的虛擬現(xiàn)實相關技術能夠有開拓性發(fā)展的重要因素之一，同時也使得“虛”與“實”的交互模式越來越向著良性的方向發(fā)展。再其次就是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術的發(fā)展?jié)B透到了各大領域，例如VR、AR、MR等技術已經(jīng)逐步走進了人們的生活，在旅游、醫(yī)療、化工、軍事、航天等領域持續(xù)發(fā)力，成了推動信息消費的一個重要支點。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實;虛擬現(xiàn)實操作系統(tǒng);虛擬圈

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0217-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 虛擬現(xiàn)實操作系統(tǒng)簡介

虛擬現(xiàn)實操作系統(tǒng)以下簡稱虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，由其名字就能知道，是現(xiàn)實與虛擬產(chǎn)生的一種交互模式的結合。由于最近幾年的網(wǎng)絡技術，大數(shù)據(jù)技術，電子等相關方面的技術的突破性發(fā)展，從而才推動了現(xiàn)在的虛擬現(xiàn)實操作系統(tǒng)技術的發(fā)展，這也是使得虛擬現(xiàn)實技術從單維度的虛擬到多維度的現(xiàn)實物質的虛擬，這一步的跨越讓人們對于虛擬世界的“現(xiàn)實”有了新的體驗和五官感知。簡單一點說虛擬現(xiàn)實操作系統(tǒng)技術就是建立在計算機仿真系統(tǒng)技術上的，它通過增加各種技術來完成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對于現(xiàn)實世界的盡可能相對的多維度的模擬，要達到這一步則需要多方面技術的協(xié)同發(fā)展。其次是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對于所模擬出來的虛擬環(huán)境必須要有能夠吸引人群的亮點，否則就會導致這一技術出現(xiàn)斷層和停滯狀態(tài)的發(fā)展趨勢，這也是為什么虛擬現(xiàn)實在近幾年才有了建設性的發(fā)展的原因之一。

如今虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)這一技術得到了越來越多人的關注與認可，而認可度和關注度的提升，有很大一部分是因為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術中所使用的數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)實生活之中。這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡技術產(chǎn)生電子信號，然后集合各種輸出設備顯示出來，從而讓人們能夠相對真實地感受到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所虛擬的現(xiàn)實模擬環(huán)境。而從模擬環(huán)境中感知的虛擬現(xiàn)象可以是我們現(xiàn)實世界中實實在在的可以觸摸的物體，也可以是肉眼無法看到的物質，但是都以三維的模式表現(xiàn)在虛擬的模擬環(huán)境中。這就是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術現(xiàn)在所呈現(xiàn)出來的狀態(tài)。

2 研究方法

（1）探索性研究法

探索性研究法是用已知的信息知識來探索和創(chuàng)造新的知識，從而得出新穎而獨特的成果或產(chǎn)品。在本文中首先對已有的技術進行了簡單的介紹，然后在這個基礎上對以后的發(fā)展及研究方向做了探索性的闡述和導向。例如文中提到的實時性的虛擬出“現(xiàn)實”的環(huán)境以及應用到學生的虛擬手術實驗等都是應用到了探索性研究法。

（2）思維方法

思維方法是人們正確進行思維和準確表達思想的重要工具，它對于一切科學性的學術研究都具有普遍的指導意義。在本文中對于思維方法的應用，主要在于闡述虛擬現(xiàn)實操作系統(tǒng)的特征分類以及基本的發(fā)展架構。其次在發(fā)展的局限上的推理和預見性地提出的建議也相對來說運用了本方法。

3 虛擬現(xiàn)實操作系統(tǒng)的發(fā)展概況及研究目的

短短幾年來，中國的硬件制造，網(wǎng)絡技術，大數(shù)據(jù)等各大領域的高速發(fā)展。使國內(nèi)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術到了跨域式的一步發(fā)展，儼然已經(jīng)呈現(xiàn)出領先的趨勢。在各大市場上，我國的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)的認可度以及所具備的潛力都是排在世界的前列。但是在各個領域的普及程度上還是出現(xiàn)比較偏低的狀態(tài)，市場消費經(jīng)濟也還有所不足。但是這需要后續(xù)的各方面的發(fā)展所支持。

目前虛擬現(xiàn)實操作系統(tǒng)的創(chuàng)新的研究出現(xiàn)了許多有礙于發(fā)展的問題，所以在本文中從客觀世界的大環(huán)境出發(fā)對未來的發(fā)展走向作了淺顯的闡述。

4 分類及特征

（1）分類

虛擬現(xiàn)實操作系統(tǒng)由于涉及的學科廣泛，可應用的領域也廣泛，所以在目前并沒有官方性的明確的完整分類。所以在一般意義上進行分類的方式就是按照應用需求、研究對象以及目標來進行決定。當不同的人在進行不同的研究時可能會有不同的分類方式，但是就虛擬操作系統(tǒng)的本身而言，不管從什么角度去分類都不會改變其最初的本質。

（2）特征

笪曼昊（2019）[1]在《虛擬現(xiàn)實技術的應用研究》中提到其特征具有：沉浸性、交互性、多感知性、構想性、自主性五種特征。

5 關鍵技術介紹

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一種包含了很多方面技術的技術，為了實現(xiàn)虛擬到現(xiàn)實的模擬，其涉及的大多數(shù)技術都還處于需要進一步發(fā)展的階段。因為現(xiàn)在的技術依然很難實現(xiàn)理想上的虛擬到現(xiàn)實的模擬。

（1）虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應用開發(fā)工具技術

正所謂工欲善其事必先利其器，說的一點不錯。如果沒有一個較好虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應用的開發(fā)工具，那么虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的擴展性和穩(wěn)定性將會出現(xiàn)很多問題。而這一項技術的成功發(fā)展則相當于是為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供了可持續(xù)發(fā)展的動力，只有動力足夠了，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的衍生發(fā)展以及自身的升級才有持續(xù)的可行性。場景和對象是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應用的關鍵點，如果可以在開發(fā)不同的場景和對象時選擇不同的工具技術進行開發(fā)，可以有效地提高虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應用的開發(fā)效率和開發(fā)的質量。

（2）虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)集成技術

該項技術的最大作用就是相當于一個管理者，因為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)涉及很多方面的技術和大量的輸入輸出設備，而在構成一個完整的虛擬現(xiàn)實的應用場景則需要將所有涉及的技術和設備整合到一個虛擬圈中并且使其在虛擬圈中能夠各行其是，這就需要虛擬現(xiàn)實的系統(tǒng)的集成技術進行虛擬場景的有效化。其次是在于數(shù)據(jù)管理模型、虛擬的識別與合成技術及預見性等也需要建立在該項技術之上。

（3）動態(tài)虛擬環(huán)境建模技術

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的動態(tài)性虛擬建模技術是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行虛擬模擬的核心之一。其主要作用就是讀取現(xiàn)實世界環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相應的應用環(huán)境實現(xiàn)相應的實時虛擬現(xiàn)實的虛擬模擬環(huán)境。這一項技術需要建立在三維圖形生成技術、立體顯示和傳感技術之上。只有虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)動態(tài)的創(chuàng)建出虛擬的模擬場景，才可以提升使用者的感知體驗。友好的交互模式即是該項技術發(fā)展的目的。

（4）實時三維圖形生成技術

目前世界上對于三維技術的發(fā)展已經(jīng)處于一定的成熟狀態(tài)，但難的是能實時地生成相應的虛擬環(huán)境的應用場景，這是一大難點。另一個難點是要在實時生成的虛擬場景中讓體驗者具備理想上的相對全面的自我感知效果，本難點的困難在于如何將人的表面感知與內(nèi)在感知連接到虛擬的環(huán)境中。以上兩個難點的實現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術將會得到飛躍似的發(fā)展，而虛擬現(xiàn)實技術也將會達到真正意義上的“虛擬現(xiàn)實”，至少也會發(fā)展到人為的感知系統(tǒng)無法輕易地去感知出來。

（5）立體顯示和傳感器技術

這兩種技術需要建立在三維技術的基礎之上。立體顯示技術是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸出設備也是與人交互的人口;傳感器技術則是用來維持虛擬、現(xiàn)實和使用者之間的良好交互，即虛擬與虛擬和虛擬與現(xiàn)實之間的交互。這一系列的交互行為都需要依賴以上兩種技術的有效發(fā)展。但就現(xiàn)在而言，世界上對于以上兩種技術的發(fā)展還遠遠不夠。再有就是力學感知設備和光學感知設備也還需要更進一步更新和發(fā)展，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的定位精度范圍也需要進一步提高。

6 技術應用

（1）醫(yī)療領域

虛擬現(xiàn)實的操作系統(tǒng)技術在醫(yī)療領域的應用有著十分重要的作用，例如醫(yī)療實驗、內(nèi)外科手術實驗、臨床實驗等。在國內(nèi)就出現(xiàn)了成功的首例遠程肝膽外科手術（深圳市人民醫(yī)院首例運用5GAR與MR兩種技術相結合成功完成），這也是對虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展的有益嘗試。虛擬現(xiàn)實操作系統(tǒng)還可以在虛擬現(xiàn)實的空間中模擬出入體標本，包括人體組織、器官等，然后讓學生進行模擬其實際應用操作，這樣就能夠使學生更快的有效地掌握要領。但是就目前在該領域的發(fā)展還是起步狀態(tài)，實現(xiàn)的應用也較為單一。這其中包括醫(yī)療器械以及電子感知技術等都還需要更進一步的發(fā)展才有可能實現(xiàn)，所以這一領域在未來的發(fā)展依然有巨大的前景。

（2）娛樂與展示領域

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術在娛樂市場中的應用影響力也是巨大的，因為它能夠提升使用者的興趣與感知（例如中國天眼、影院、游戲等）。其實展示和娛樂這兩個領域并無明確界限，但又有所不同，展示的側重不在于娛樂，重在體驗，由于材料之間的發(fā)展技術還存在相對的落后，這一領域也有相當大的發(fā)展前景。

（3）應用軍事領域

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的虛擬模擬環(huán)境的立體維度與真實性這一性能，在軍事上也有著重大的作用。由于其真切的感知，可以將不同的地域立體地展現(xiàn)出來，然后在其中進行不同規(guī)模上的軍事演習，這樣對于實際的軍事演習有著十分重要的作用。其次是核武器的實驗，也可以在虛擬現(xiàn)實的模擬空間中進行試驗，減少武器對自然和環(huán)境的毀壞。但是這需要涉及多種交叉反映技術，所以同樣還存在很多的技術上的不足，未來依然有很大的發(fā)展需要。

（4）航天航空領域

從最初的航天航空技術發(fā)展到現(xiàn)在，每一項工程都需要消耗大量的經(jīng)費。而且航天航空這一項科技技術的涉及領域廣，工程浩大且十分煩瑣。如果航天航空的科學家們可以利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術進行虛擬環(huán)境的模擬，將會減少許多不必要的工程環(huán)節(jié)，同時也降低了危險性和經(jīng)費開銷。譬如在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的虛擬模擬環(huán)境中進行航天飛行器與飛行環(huán)境的模擬，可以讓飛行人員在這個虛擬的現(xiàn)實環(huán)境中進行相應的實驗操作和飛行訓練，這樣就可以大幅度的降低實驗的危險性和經(jīng)費開銷。再如空間站的維護也同樣有著巨大的實際操作難度，但是使用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術就可以大大地降低危險和成本。

7 發(fā)展局限

就當今對于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術的發(fā)展，總體上還是處于一種“泛化”狀態(tài)，和真正的虛擬現(xiàn)實技術還有不小的差距，更是沒有達到虛擬與現(xiàn)實的友好交互及實時回應感知。但是對于推進全球的虛擬現(xiàn)實各個領域技術的發(fā)展是有著不小的作用。放眼未來，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)這一項技術仍然有很大的發(fā)展空間，但是在這一項技術的高速發(fā)展過程中同時也顯現(xiàn)出了一系列的問題。譬如虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術生產(chǎn)的一系列產(chǎn)品的大眾化這一條件，就目前而言還不現(xiàn)實，因為目前這一系列的產(chǎn)品消費還停留在較高或者更高的經(jīng)濟消費水平，無法滿足相對大眾的消費承受;其次是生產(chǎn)這一系列的產(chǎn)品在經(jīng)濟利益回收上也不是很穩(wěn)定;最后則是技術方面問題，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術生產(chǎn)的產(chǎn)品在和其他的產(chǎn)品進行交互聯(lián)系時出現(xiàn)不能夠完全的銜接使用問題，以及如何突破虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)這一領域的技術產(chǎn)品商業(yè)經(jīng)濟化，也是一個巨大的難題。但是相信隨著科學技術不斷創(chuàng)新的腳步，相信未來的虛擬現(xiàn)實操作系統(tǒng)技術一定有著巨大的發(fā)展空間等著我們?nèi)ラ_發(fā)。

參考文獻：

[1]笪曼昊，虛擬現(xiàn)實技術的應用研究[J].電腦迷，2019.01（01）.

【通聯(lián)編輯：聞翔軍】

基金項目：貴州省2018年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（2018520970）

作者簡介：田建勇（1976-），男，貴州松桃人，副教授，研究方向為軟件工程;江興銘（1998-），男，貴州叢江人，在讀碩士，研究方向為數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術;馮靖洪（1994-），男，貴州沿河人，在讀碩士，研究方向為數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術。