瀏覽：153次

虛擬現實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng )建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統仿真使用戶(hù)沉浸到該環(huán)境中。

簡(jiǎn)介

虛擬現實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是仿真技術(shù)與計算機圖形學(xué)人機接口技術(shù)多媒體技術(shù)傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門(mén)富有挑戰性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現實(shí)技術(shù)(VR)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設備等方面。模擬環(huán)境是由計算機生成的、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應該具有一切人所具有的感知。除計算機圖形技術(shù)所生成的視覺(jué)感知外，還有聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、運動(dòng)等感知，甚至還包括嗅覺(jué)和味覺(jué)等，也稱(chēng)為多感知。自然技能是指人的頭部轉動(dòng)，眼睛、手勢、或其他人體行為動(dòng)作，由計算機來(lái)處理與參與者的動(dòng)作相適應的數據，并對用戶(hù)的輸入作出實(shí)時(shí)響應，并分別反饋到用戶(hù)的五官。傳感設備是指三維交互設備。

           發(fā)展歷史

虛擬現實(shí)技術(shù)演變發(fā)展史大體上可以分為四個(gè)階段：有聲形動(dòng)態(tài)的模擬是蘊涵虛擬現實(shí)思想的第一階段（1963年以前）；虛擬現實(shí)萌芽為第二階段（1963 -1972 ）；虛擬現實(shí)概念的產(chǎn)生和理論初步形成為第三階段（1973 -1989 ）；虛擬現實(shí)理論進(jìn)一步的完善和應用為第四階段（1990 -2004 ）。

          特征

多感知性

指除一般計算機所具有的視覺(jué)感知外，還有聽(tīng)覺(jué)感知、觸覺(jué)感知、運動(dòng)感知，甚至還包括味覺(jué)、嗅覺(jué)、感知等。理想的虛擬現實(shí)應該具有一切人所具有的感知功能。

存在感

指用戶(hù)感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應該達到使用戶(hù)難辨真假的程度。

交互性

指用戶(hù)對模擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。

自主性

指虛擬環(huán)境中的物體依據現實(shí)世界物理運動(dòng)定律動(dòng)作的程度。

關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現實(shí)是多種技術(shù)的綜合，包括實(shí)時(shí)三維計算機圖形技術(shù)，廣角（寬視野）立體顯示技術(shù)，對觀(guān)察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù)，以及觸覺(jué)/力覺(jué)反饋、立體聲、網(wǎng)絡(luò )傳輸、語(yǔ)音輸入輸出技術(shù)等。下面對這些技術(shù)分別加以說(shuō)明。

實(shí)時(shí)三維計算機圖形

相比較而言，利用計算機模型產(chǎn)生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準確的模型，又有足夠的時(shí)間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)。例如在飛行模擬系統中，圖像的刷新相當重要，同時(shí)對圖像質(zhì)量的要求也很高，再加上非常復雜的虛擬環(huán)境，問(wèn)題就變得相當困難。

顯示

人看周?chē)氖澜鐣r(shí)，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子里融合起來(lái)，就形成了一個(gè)關(guān)于周?chē)澜绲恼w景象，這個(gè)景象中包括了距離遠近的信息。當然，距離信息也可以通過(guò)其他方法獲得，例如眼睛焦距的遠近、物體大小的比較等。

在VR系統中，雙目立體視覺(jué)起了很大作用。用戶(hù)的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統采用單個(gè)顯示器，但用戶(hù)帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產(chǎn)生了立體感。

用戶(hù)（頭、眼）的跟蹤：在人造環(huán)境中，每個(gè)物體相對于系統的坐標系都有一個(gè)位置與姿態(tài)，而用戶(hù)也是如此。用戶(hù)看到的景象是由用戶(hù)的位置和頭（眼）的方向來(lái)確定的。

跟蹤頭部運動(dòng)的虛擬現實(shí)頭套：在傳統的計算機圖形技術(shù)中，視場(chǎng)的改變是通過(guò)鼠標或鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現的，用戶(hù)的視覺(jué)系統和運動(dòng)感知系統是分離的，而利用頭部跟蹤來(lái)改變圖像的視角，用戶(hù)的視覺(jué)系統和運動(dòng)感知系統之間就可以聯(lián)系起來(lái)，感覺(jué)更逼真。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，用戶(hù)不僅可以通過(guò)雙目立體視覺(jué)去認識環(huán)境，而且可以通過(guò)頭部的運動(dòng)去觀(guān)察環(huán)境。

在用戶(hù)與計算機的交互中，鍵盤(pán)和鼠標是目前最常用的工具，但對于三維空間來(lái)說(shuō)，它們都不太適合。在三維空間中因為有六個(gè)自由度，我們很難找出比較直觀(guān)的辦法把鼠標的平面運動(dòng)映射成三維空間的任意運動(dòng)。現在，已經(jīng)有一些設備可以提供六個(gè)自由度，如3Space數字化儀和SpaceBall空間球等。另外一些性能比較優(yōu)異的設備是數據手套和數據衣。

聲音

人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強度的差別來(lái)確定聲音的方向，因為聲音到達兩只耳朵的時(shí)間或距離有所不同。常見(jiàn)的立體聲效果就是靠左右耳聽(tīng)到在不同位置錄制的不同聲音來(lái)實(shí)現的，所以會(huì )有一種方向感。現實(shí)生活里，當頭部轉動(dòng)時(shí)，聽(tīng)到的聲音的方向就會(huì )改變。但目前在VR系統中，聲音的方向與用戶(hù)頭部的運動(dòng)無(wú)關(guān)。

感覺(jué)反饋

在一個(gè)VR系統中，用戶(hù)可以看到一個(gè)虛擬的杯子。你可以設法去抓住它，但是你的手沒(méi)有真正接觸杯子的感覺(jué)，并有可能穿過(guò)虛擬杯子的“表面”，而這在現實(shí)生活中是不可能的。解決這一問(wèn)題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動(dòng)的觸點(diǎn)來(lái)模擬觸覺(jué)。

語(yǔ)音

在VR系統中，語(yǔ)音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環(huán)境能聽(tīng)懂人的語(yǔ)言，并能與人實(shí)時(shí)交互。而讓計算機識別人的語(yǔ)音是相當困難的，因為語(yǔ)音信號和自然語(yǔ)言信號有其“多邊性”和復雜性。例如，連續語(yǔ)音中詞與詞之間沒(méi)有明顯的停頓，同一詞、同一字的發(fā)音受前后詞、字的影響，不僅不同人說(shuō)同一詞會(huì )有所不同，就是同一人發(fā)音也會(huì )受到心理、生理和環(huán)境的影響而有所不同。

使用人的自然語(yǔ)言作為計算機輸入目前有兩個(gè)問(wèn)題，首先是效率問(wèn)題，為便于計算機理解，輸入的語(yǔ)音可能會(huì )相當啰嗦。其次是正確性問(wèn)題，計算機理解語(yǔ)音的方法是對比匹配，而沒(méi)有人的智能。

技術(shù)特點(diǎn)

VR藝術(shù)是伴隨著(zhù)“虛擬現實(shí)時(shí)代”的來(lái)臨應運而生的一種新興而獨立的藝術(shù)門(mén)類(lèi)，在《虛擬現實(shí)藝術(shù)： 形而上的終極再創(chuàng )造》一文中，關(guān)于VR藝術(shù)有如下的定義：“以虛擬現實(shí)（VR）、增強現實(shí)（AR）等人工智能技術(shù)作為媒介手段加以運用的藝術(shù)形式，我們稱(chēng)之為虛擬現實(shí)藝術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)VR藝術(shù)。該藝術(shù)形式的主要特點(diǎn)是超文本性和交互性。”

“作為現代科技前沿的綜合體現，VR藝術(shù)是通過(guò)人機界面對復雜數據進(jìn)行可視化操作與交互的一種新的藝術(shù)語(yǔ)言形式，它吸引藝術(shù)家的重要之處，在于藝術(shù)思維與科技工具的密切交融和二者深層滲透所產(chǎn)生的全新的認知體驗。與傳統視窗操作下的新媒體藝術(shù)相比，交互性和擴展的人機對話(huà)，是VR藝術(shù)呈現其獨特優(yōu)勢的關(guān)鍵所在。從整體意義上說(shuō)，VR藝術(shù)是以新型人機對話(huà)為基礎的交互性的藝術(shù)形式，其最大優(yōu)勢在于建構作品與參與者的對話(huà)，通過(guò)對話(huà)揭示意義生成的過(guò)程。

藝術(shù)家通過(guò)對VR、AR等技術(shù)的應用，可以采用更為自然的人機交互手段控制作品的形式，塑造出更具沉浸感的藝術(shù)環(huán)境和現實(shí)情況下不能實(shí)現的夢(mèng)想，并賦予創(chuàng )造的過(guò)程以新的含義。如具有VR性質(zhì)的交互裝置系統可以設置觀(guān)眾穿越多重感官的交互通道以及穿越裝置的過(guò)程，藝術(shù)家可以借助軟件和硬件的順暢配合來(lái)促進(jìn)參與者與作品之間的溝通與反饋，創(chuàng )造良好的參與性和可操控性；也可以通過(guò)視頻界面進(jìn)行動(dòng)作捕捉，儲存訪(fǎng)問(wèn)者的行為片段，以保持參與者的意識增強性為基礎，同步放映增強效果和重新塑造、處理過(guò)的影像；通過(guò)增強現實(shí)、混合現實(shí)等形式，將數字世界和真實(shí)世界結合在一起，觀(guān)眾可以通過(guò)自身動(dòng)作控制投影的文本，如數據手套可以提供力的反饋，可移動(dòng)的場(chǎng)景、360度旋轉的球體空間不僅增強了作品的沉浸感，而且可以使觀(guān)眾進(jìn)入作品的內部，操縱它、觀(guān)察它的過(guò)程，甚至賦予觀(guān)眾參與再創(chuàng )造的機會(huì )。”

技術(shù)應用

醫學(xué)

VR在醫學(xué)方面的應用具有十分重要的現實(shí)意義。在虛擬環(huán)境中，可以建立虛擬的人體模型，借助于跟蹤球、HMD、感覺(jué)手套，學(xué)生可以很容易了解人體內部各器官結構，這比現有的采用教科書(shū)的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個(gè)SGI工作站建立了一個(gè)虛擬外科手術(shù)訓練器，用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個(gè)虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺與手術(shù)燈，虛擬的外科工具（如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等），虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺(jué)手套，使用者可以對虛擬的人體模型進(jìn)行手術(shù)。但該系統有待進(jìn)一步改進(jìn)，如需提高環(huán)境的真實(shí)感，增加網(wǎng)絡(luò )功能，使其能同時(shí)培訓多個(gè)使用者，或可在外地專(zhuān)家的指導下工作等。手術(shù)后果預測及改善殘疾人生恬狀況，乃至新型藥物的研制等方面，VR技術(shù)都有十分重要的意義。

在醫學(xué)院校，學(xué)生可在虛擬實(shí)驗室中，進(jìn)行“尸體”解剖和各種手術(shù)練習。用這項技術(shù)，由于不受標本、場(chǎng)地等的限制，所以培訓費用大大降低。一些用于醫學(xué)培訓、實(shí)習和研究的虛擬現實(shí)系統，仿真程度非常高，其優(yōu)越性和效果是不可估量和不可比擬的。例如，導管插入動(dòng)脈的模擬器，可以使學(xué)生反復實(shí)踐導管插入動(dòng)脈時(shí)的操作；眼睛手術(shù)模擬器，根據人眼的前眼結構創(chuàng )造出三維立體圖像，并帶有實(shí)時(shí)的觸覺(jué)反饋，學(xué)生利用它可以觀(guān)察模擬移去晶狀體的全過(guò)程，并觀(guān)察到眼睛前部結構的血管、虹膜和鞏膜組織及角膜的透明度等。還有麻醉虛擬現實(shí)系統、口腔手術(shù)模擬器等。

外科醫生在真正動(dòng)手術(shù)之前，通過(guò)虛擬現實(shí)技術(shù)的幫助，能在顯示器上重復地模擬手術(shù)，移動(dòng)人體內的器官，尋找最佳手術(shù)方案并提高熟練度。在遠距離遙控外科手術(shù)，復雜手術(shù)的計劃安排，手術(shù)過(guò)程的信息指導，手術(shù)后果預測及改善殘疾人生活狀況，乃至新藥研制等方面，虛擬現實(shí)技術(shù)都能發(fā)揮十分重要的作用。 [1]

娛樂(lè )

豐富的感覺(jué)能力與3D顯示環(huán)境使得VR成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂(lè )方面對VR的真實(shí)感要求不是太高，故近些年來(lái)VR在該方面發(fā)展最為迅猛。如Chicago（芝加哥）開(kāi)放了世界上第一臺大型可供多人使用的VR娛樂(lè )系統，其主題是關(guān)于3025年的一場(chǎng)未來(lái)戰爭；英國開(kāi)發(fā)的稱(chēng)為“Virtuality”的VR游戲系統，配有HMD，大大增強了真實(shí)感；1992年的一臺稱(chēng)為“Legeal Qust”的系統由于增加了人工智能功能，使計算機具備了自學(xué)習功能，大大增強了趣味性及難度，使該系統獲該年度VR產(chǎn)品獎。另外在家庭娛樂(lè )方面VR也顯示出了很好的前景。

作為傳輸顯示信息的媒體，VR在未來(lái)藝術(shù)領(lǐng)域方面所具有的潛在應用能力也不可低估。VR所具有的臨場(chǎng)參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術(shù)（如油畫(huà)、雕刻等）轉化為動(dòng)態(tài)的，可以使觀(guān)賞者更好地欣賞作者的思想藝術(shù)。另外，VR提高了藝術(shù)表現能力，如一個(gè)虛擬的音樂(lè )家可以演奏各種各樣的樂(lè )器，手足不便的人或遠在外地的人可以在他生活的居室中去虛擬的音樂(lè )廳欣賞音樂(lè )會(huì )等等。

對藝術(shù)的潛在應用價(jià)值同樣適用于教育，如在解釋一些復雜的系統抽象的概念如量子物理等方面，VR是非常有力的工具，Lofin等人在1993年建立了一個(gè)“虛擬的物理實(shí)驗室”，用于解釋某些物理概念，如位置與速度，力量與位移等。

軍事航天

模擬訓練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個(gè)重要課題，這為VR提供了廣闊的應用前景。美國國防部高級研究計劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱(chēng)為SIMNET的虛擬戰場(chǎng)系統，以提供坦克協(xié)同訓練，該系統可聯(lián)結200多臺模擬器。另外利用VR技術(shù)，可模擬零重力環(huán)境，替非標準的水下訓練宇航員的方法。

室內設計

虛擬現實(shí)不僅僅是一個(gè)演示媒體，而且還是一個(gè)設計工具。它以視覺(jué)形式反映了設計者的思想，比如裝修房屋之前，你首先要做的事是對房屋的結構、外形做細致的構思，為了使之定量化，你還需設計許多圖紙，當然這些圖紙只能內行人讀懂，虛擬現實(shí)可以把這種構思變成看得見(jiàn)的虛擬物體和環(huán)境，使以往只能借助傳統的設計模式提升到數字化的即看即所得的完美境界，大大提高了設計和規劃的質(zhì)量與效率。運用虛擬現實(shí)技術(shù)，設計者可以完全按照自己的構思去構建裝飾“虛擬”的房間，并可以任意變換自己在房間中的位置，去觀(guān)察設計的效果，直到滿(mǎn)意為止。既節約了時(shí)間，又節省了做模型的費用。