浅谈虚拟现实技术

浅谈虚拟现实技术及应用虚拟现实，这是最近几年飞速发展的新兴技术。它就像一座桥梁，架起了虚拟程序和现实生活之间的通路。让一切曾经我们想都不敢想的事情变成了现实。我们大学生目前还处在科技的底层，能接触到的虚拟现实技术主要还是在娱乐方面，当英勇威猛的阿凡达驾驭飞龙摧城拔寨，当本应令人忍俊不禁的猩猩开始和人类刀戈相向，当我们感叹这一切的神奇之时，我们不应该忘记虚拟现实技术的贡献。总的来说，虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它利用计算机生成一种模拟环境，本质是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，可以使用户沉浸到该环境中。本文章主要介绍如今虚拟现实技术对于生产生活的应用，实现技术方面就不再多提，但是说到应用，就不能简单介绍一下虚拟现实技术的特征，而这些特征，也是让我们感到这种计算机技术很神奇却很熟悉的原因。特征主要有四个，分别是多感知性，存在感，交互性和自主性。第一就是多感知性，众所周知，计算机一般只有视觉感知，而理想的虚拟现实则需要具有一切人所具有的感知功能，包括听觉、触觉、嗅觉甚至是味觉。第二则是存在感，也就是真实程度，最好达到使用户难辨真假的程度。第三点是交互性，交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度，举个例子，就是说如果在虚拟世界你被石头砸到了头，现实中你也会伴随着头疼。最后一个则是自主性，虚拟环境中的物体要依据现实世界物理规律进行运动，就像现实中水向低处流，虚拟世界总不能反着来。这些特征注定了虚拟现实技术会有很广泛的应用，无论是生活娱乐，还是科研生产，尤其是在一些现实中实现会有高成本或高风险的方面，虚拟现实技术具有不可替代的作用。先说一些轻松的方面，也就是在娱乐方面VR（虚拟现实技术）的巨大威力。由于在娱乐方面对VR的真实感要求不是太高，故近些年来VR在该方面发展最为迅猛。如Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的VR游戏系统，配有HMD，大大增强了真实感；1992年的一台称为“LegealQust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度VR产品奖。另外在家庭娱乐方面VR也显示出了很好的前景。首先，重点介绍一下的电影里的VR，2010年《阿凡达》IMAX的突袭，代表着人类的视听感官体验进入了一个新的纪元。有人说这是一次空前规模的IMAX群众普及教育，亦是CG技术（影片本身在真实场景中拍摄并由真人表演为主，但穿插应用大量虚拟场景及特效的影片）的一次空前展示，殊不知IMAX来袭预示着电影中虚拟现实技术更加成熟。在课上老师曾放过一个关于《阿凡达》电影拍摄的场景，身穿黑色紧身衣，身体各关节处贴着反光跟踪器的动作演员，在数十台高清摄像机与数十个跟踪点组成的三维立体的捕捉空间中，由Motioncapture（运动捕捉）系统对演员动作进行实时捕捉，并记录下每一个关节在三维空间中的位置与运动轨迹。而后，动作数据捕捉设备把采集到的动作数据进行处理，再把动作数据附加到虚拟的三维角色模型上，虚拟角色就可以在演员的动作数据驱动下表演出真实流畅的动作。形形色色、表情丰富、身手不凡的虚拟角色都得益于这种被称作MotionCapture的动作捕捉技术。它使非真实的虚拟角色动作看起来更加的生动自然。动作捕捉技术实现了传感器捕捉人类自然动作，并输入处理动作数据，阶段性的实现了人机交互，再配以面部表情捕捉、人物在场景中的定位等各种技术保障了电影拍摄的互动性与实时性，实现了实时人机互动。这也是虚拟现实的一种重要应用。在虚拟现实方面，《阿凡达》的创造者，著名导演詹姆斯·卡梅隆也有自己的独到的见解。“我本人非常想找到一种方法，能够通过虚拟现实技术来提高电影制作的技术和体验。”卡梅伦被提问时表示，“因此当你有一个选择可以体验到更直接的叙述方式、更加个性化的途径，并且这一切都是实时的，我认为这个过程将非常具有乐趣。虽然制作出能够提供这样体验的电影需要投入巨额的资金和大量的精力，但是我依然认为这是非常有趣的尝试。”卡梅隆导演的意思大概就是想努力去实现一个完全现实版的《阿凡达》。“我对它非常有兴趣。”卡梅隆说，“在接下来的一个月内，我将会仔细研究一下这种技术。事实上，虚拟现实从某种途径已经描述了我们之前在拍摄《阿凡达》时的工作方式。我们整天都在虚拟的环境下工作，并且已经使用过虚拟相机来创建所有的CG照片及影片，甚至我的周围会被一整圈虚拟现实图像所包围。”虽然这种真实版的《阿凡达》不会在短时间内出现，但既然大导演对虚拟现实技术这么感兴趣，相信我们总会在影院看见更上一层的《阿凡达》世界。另外，作为传输显示信息的媒体，VR在未来艺术领域方面所具有的潜在应用能力也不可低估。VR所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的，可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。另外，VR提高了艺术表现能力，如一个虚拟的音乐家可以演奏各种各样的乐器，手足不便的人或远在外地的人可以在他生活的居室中去虚拟的音乐厅欣赏音乐会等等。娱乐固然是走在虚拟现实技术发展队伍前端的排头兵，但谁都知道，一个人只有生存下来，才有可能去享受生活。无论是哪个年代，人们生活环境的安全总是第一位的，这就不得不说一下两个重要的方面，军事和医疗。而VR，也为人们的安全，做出了极大的贡献。训练是一支军队必不可少的项目，然而真正的大规模训练免不了伤亡。这就需要模拟，模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为VR提供了广阔的应用前景。美国国防部高级研究计划局DARPA自80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统，以提供坦克协同训练，该系统可联结200多台模拟器。另外利用VR技术，可模拟零重力环境，替非标准的水下训练宇航员的方法。除去常规的训练可以用到VR技术，军事的许多方面都离不开虚拟现实技术的应用。尤其是近几年，VR在军事中渗透出几个新的发展方面。有高新技术武器的研制开发、论证、评估及预测，“虚拟”军事地图，虚拟远程控制机械装备等其他方面。就拿高新技术武器研发来详细解说VR的作用，在高新技术武器开发的过程中大量地采用虚拟现实技术，设计者可方便自如地介入系统建模和仿真试验全过程，这样缩短了武器系统的研制周期，并能对武器系统的作战效能进行合理评估，从而使武器的性能指标更接近实战要求。同时在武器装备的研制过程中，虚拟现实技术可以为用户提供先期演示，让研制者和用户同时进入虚拟的作战环境中操作武器系统。研制者和用户能够充分利用分布式交互网络提供的各种虚拟环境，检验武器系统的设计方案和战术、技术性能指标及其操作的合理性。而在军事地图和虚拟远程控制机械装备上，VR也是功力巨大。利用VR制作的“可进入地图”就已经制作为成熟的系统。美军还用这套系统对前往阿富汗战场的士兵进行了专门训练，系统设计人员在系统设计中就重现了阿富汗的详细地形。而VR的远程操控则更是避免了人身进入那些如核区、污染区等高危地区，美国宇航局和欧洲空间局曾成功地将虚拟现实技术应用于对哈勃太空望远镜维修方面的地面训练。而对于生活在和平时代和平区域的我们，似乎军事离我们还是远了一些。然而无论是战争还是和平时期，医疗问题总是那个不想遇到却天天遇到的问题。在医学方面，VR具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD（头戴式可视设备）、感觉手套，学生可以很容易了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。VR的应用起到了降低成本与风险的作用。在医学院校，学生可在虚拟实验室中，进行“尸体”解剖和各种手术练习。用这项技术，由于不受标本、场地等的限制，所以培训费用大大降低。外科医生在真正动手术之前，通过虚拟现实技术的帮助，能在显示器上重复地模拟手术，移动人体内的器官，寻找最佳手术方案并提高熟练度，这将会大大降低了手术的风险性。在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生活状况，乃至新药研制等方面，虚拟现实技术都能发挥十分重要的作用。相信当虚拟现实技术广泛推广至全民医疗的那一天，再不会有如此多令人悲痛欲绝的医疗事故，再能多见到一张张康复者的笑脸。当然，上文所描述的虚拟现实技术的应用方面只是九牛一毛，其作用远比我们想象的大得多。除以上所描述的功能外，VR还在设计、开发、工业仿真、应急推演、文物古迹保护修复、道路桥梁、水文地质、能源等等方面起到重要的作用。虽然现在VR依然处于一个发展的初级阶段，但是它有无尽的潜力，终有一天它将成为我们与计算机交互方式最大的一种转型，改变人们与科技之间的关系。到时，也许没有人能或许说没有必要分清虚拟和现实，这谁又能猜测呢？