浅谈虚拟现实技术发展与应用08011331

浅谈虚拟现实技术发展及应用郭劲廷11)东南大学自动化学院，南京210096，中国摘要虚拟现实是计算机图形学的一个重要的发展方向，他通过系统生成各种虚拟环境，作用于用户的视觉，触觉，听觉。使用户身临其境，沉浸其中。虚拟现实是一门新兴的边缘技术，它的研究涉及多个领域除了计算机图形学还涉及到仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术。当前的应用领域也非常广阔，目前可应用于医疗、旅游、军事、艺术、教育、虚拟游戏等。本文从虚拟现实技术的定义，发展，设备以及当前的应用领域，未来发展可能遇到的问题等方面进行探讨。关键词虚拟现实；定义；技术；设备；应用1．虚拟现实技术定义虚拟实境，亦作虚拟现实（VirtualReality），简称VR技术，也称灵境技术或人工环境，是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让用户如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。从技术的角度来说，虚拟现实系统具有下面三个基本特征：即三个“I”immersion-interaction-imagination（沉浸—交互—构想），它强调了在虚拟系统中的人的主导作用。图1虚拟现实技术的基本特征1.1沉浸性所谓沉浸性就是使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。如果做出来的虚拟世界不够真实，那么虚拟现实的效果也会大打折扣。1.2交互性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。比如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。又或者在赛车模拟中，赛车碰撞导致的震动根据碰撞剧烈程度反馈到座椅上。1.3构想性又称为自主性，强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。2．虚拟现实技术的发展历程虚拟现实技术和仿真技术息息相关，它可以追溯到中国古代的战国时期，人们在风筝上系上竹哨，利用风吹竹哨，声如筝鸣。模拟飞行动物发明的有声风筝，这是中国古代人试验飞行模型的最早记载。后来该技术传到西方，西方人称风筝为飞行器，利用风筝原理发明了飞机。人们从动物的行为得到了启发，他推动了仿真技术的发展，也是虚拟现实技术的前身。现代VR技术的发展大致可分为三个阶段:20世纪50年代至70年代,是VR技术的准备阶段;80年代初至80年代中期,是VR技术系统化、开始走出实验室进入实际应用的阶段;80年代末至90年代初,是VR技术迅猛发展的阶段。第一阶段,50～70年代,为虚拟现实的探索阶段。1965年由美国的MortonHeileg开发了一个称做Sensorama的摩托车仿真器,不仅具有三维视频及立体声效果,还能产生风吹的感觉和街道气味。1968年,美国计算机科学家I1E1Sutherland在哈佛大学组织开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器HMD及头部位置跟踪系统,成为VR技术发展史上的一个重要里程碑,为虚拟现实的发展奠定了基础。第二阶段,80年代初至80年代中期,开始形成VR技术的基本概念,开始由实验进入实用阶段,其重要标志是:1985年在MichaelMcGreevy领导下完成的VIEW虚拟现实系统,装备了数据手套和头部跟踪器,提供了手势、语言等交互手段,使VIEW成为名副其实的虚拟现实系统,成为后来开发虚拟现实的体系结构。其他如VPL公司开发了用于生成虚拟现实的RB2软件和DataGlove数据手套,为虚拟现实提供了开发工具。第三阶段,80年代末至90年代初,为虚拟现实全面发展阶段。虚拟现实技术已经从实验室的试验阶段走向了市场的实用阶段,对虚拟现实技术的研究也从基本理论和系统构成的研究转向应用过程中所遇到的具体问题的探讨。图2VPL公司开发的DataGlove数据手套3．虚拟现实设备经常看网游类小说的人肯定很熟悉这样的情景：进入游戏仓，带上游戏头盔，然后头盔链接玩家的神经。接着玩家就可以进入虚拟的游戏世界，游戏世界中的所有事物都可以在玩家脑海中呈现，然后游戏角色的行为只要通过玩家的思想控制即可，玩家所感受到的是百分百和现实世界没有差别的虚拟世界，甚至可以感受到被怪兽击杀时的痛感，而且现实世界的身体还可以受到游戏仓营养的供给，玩家可以几天几夜在游戏中长时间作战，其实，这也是诸多科学家所研究的内容，然而，凭借微弱的脑电波，控制这么多的行为，思想，动作，是现代不敢想像的，毕竟，大脑的一点点损伤，都是不可估量的危害，而游戏仓的营养供给，不可能凭空将人体所需物资注入人体，所以，几天几夜的游戏是不实际的。用思维活动来控制计算机是人机交互的最终追求，如果人机交互能达到这样的境界，那将会是非常不可思议的。那么，现在的科学把虚拟现实的人机交互做到了什么程度呢？目前游戏头盔已有所进展：国外游戏周边生产商推出虚拟现实游戏头盔——Trimersion。美国最大的移动消费电子产品微型显示器生产商Kopin，公布了其最新出品的虚拟现实游戏头盔Trimersion。这款头盔即将是专门面向游戏市场推出的第一款产品。这款头盔将是目前市场上第一款针对家用游戏提供360度头部跟踪的跨平台产品。该产品的型号为BDM-230K。它通过双眼视频子系统为玩家提供达到QVGA画质（320X240解析度）的图像。这等同于在玩家面前7英尺处一台35英寸显示器的效果。“头部跟踪”技术将允许玩家可以根据自己在虚拟环境中的视点和位置来控制游戏。据了解，这款头盔将可以支持Xbox、PC和PS2在内的多种游戏平台.说到虚拟现实设备那么久不得不说数据手套了，数据手套设有弯曲传感器，弯曲传感器由柔性电路板、力敏元件、弹性封装材料组成，通过导线连接至信号处理电路；在柔性电路板上设有至少两根导线，以力敏材料包覆于柔性电路板大部，再在力敏材料上包覆一层弹性封装材料，柔性电路板留一端在外，以导线与外电路连接。把人手姿态准确实时地传递给虚拟环境，而且能够把与虚拟物体的接触信息反馈给操作者。使操作者以更加直接，更加自然，更加有效的方式与虚拟世界进行交互，大大增强了互动性和沉浸感。并为操作者提供了一种通用、直接的人机交互方式，特别适用于需要多自由度手模型对虚拟物体进行复杂操作的虚拟现实系统。图3虚拟游戏头盔（构想图）图4数据手套结构以上的这些设备似乎离我们的日常生活有点遥远，有没和我们现实生活中随时可用的虚拟现实设备呢？当然有，google公司在I/O大会上展示了令人惊喜的cardboard。Cardboard最初是谷歌法国巴黎部门的两位工程师大卫·科和达米安·亨利的创意。他们利用谷歌“20%时间”规定，花了6个月的时间，打造出来这个实验项目，意在将智能手机变成一个虚拟现实的原型设备。这个看起来非常寒碜的再生纸板盒却是今年I/O大会上最令人惊喜的产品，这就是谷歌推出的廉价3D眼镜。google官方的Cardboard卖到供不应求，google随后发布了Cardboard的制作图纸。中国的网友甚至发明了“13元组装Cardboard”的攻略。你只要有纸板、双凸透镜、磁石、魔力贴、橡皮筋以及NFC贴等部件，自己就可以动手DIY。虚拟现实技术对娱乐产业的影响究竟有多大，依旧不能得到统一的答案。不过可以肯定的是，虚拟现实技术降低了娱乐内容的制作成本，也让用户得到了更好的体验。你可以在家坐在沙发上，躺在床上，然后戴着Cardboard，只要有一台智能手机，就能享受365°无死角的虚拟现实体验。究竟能有多现实？举个例子，一般你在看电影时只能老老实实待在座位上当一位观众，就拿《11:57》这部虚拟现实鬼片来说，影片一开始你就会感受到自己独自一人在黑漆漆的地下室里，你的手脚被绑在椅子上，所有的恐惧都是冲着你一个人而来，你就是电影的主角。这部电影用了6个高清摄像头才完成拍摄，期间导演，灯光，录音都不能出现在场景中，拍摄难度非常之大。图5组装好的Cardboard4．虚拟现实技术的应用一直以来，虚拟现实技术是帮助人们解决实际问题的有效方法。近年来随着计算机硬件水平的提高，以及人工智能等相关技术的高速发展。虚拟现实非常适合应用于计算机仿真技术和计算机模拟技术的场合，特别需要在三维的空间中表现仿真的结果且需要实时的交互时虚拟现实技术具有很大的优势。以下就例举几个领域简要介绍虚拟现实技术的应用。4.1教育目前，通过VR技术学习已经成为了受学生们欢迎的一种方式。利用虚拟现实的沉浸性特点，学生的学习兴趣大大的提高，学习知识不再是通过黑板的枯燥公式。通过模拟的化学、物理实验。学生们不需要冒真实的安全性风险去做实验，也不用担心仪器损坏以及观测现象困难的问题。举个例子，通常在做万有引力物理实验的时候会选择使用虚拟物理实验室，因为万有引力常数实在太小，测量需要的实验器材要求精度要高，需要的时间也比较长，实验过程很容易受外界干扰。在虚拟物理实验室里，系统加快了时间的流逝，保证了器材的精度以及可靠性。学生们在电脑上按照要求轻点鼠标，可以很直观的理解这个实验的原理。原本需要一整个房间来摆放的仪器全都收入了电脑里，实验过程一下子就变得非常容易理解。再例如，针对学习微分代数和微分几何时经常遇到的困难，瑞典皇家理工学院的研究人员开发了共享虚拟环境的CyberMath,，能够以一种很直观愉快的方式来表达抽象的数学概念。图6虚拟物理实验室4.2医疗卫生医疗卫生是虚拟现实技术应用最早的一个领域，在医护人员培训、手术方案的验证、心理治疗等方面应用得到了较大发展。比如对于心、肺等杂音形成的部位，机理及在心电图上的表现等内容，教师讲解起来非常困难，利用虚拟现实技术模拟心、肺疾病病人的特征，在虚拟人身上可以随意触诊、听诊训练。这种见习过程既有真实感又不受时间限制。4.3军事一直以来美军就利用VR技术进行军事训练。VR技术最早由美国航空航天局（NASA）和军事部门为实现实时仿真提出并开发出来的一套高端技术，它首先用于驾驶员训练的军事模拟器中。20世纪90年代初，美国率先将VR技术用于军事领域，所以军事应用可以说是推动VR技术的源动力，直到现在依然是VR技术最大的应用领域。虚拟现实技术在美军的模拟训练中的应用主要体现在构建虚拟战场环境、单兵模拟训练、网络化作战训练、军事指挥人员训练、研制武器装备及进行网络信息战等方面。在阿富汗和伊拉克战争中，美军采用综合了航空照片、卫星影像和数字高层地形数据来生成高分辨率的作战区域三维地形环境，以几乎一致的地形来训练执行任务的战斗机飞行员。很多飞行员都感慨在执行任务中，见到的环境都在模拟器中见到过，因此大大减少了执行任务的难度和伤亡率。4.4城市规划和建筑城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一，虚拟现实技术可以广泛的应用在城市规划的各个方面，并带来切实且可观的利益：展现规划方案虚拟现实系统的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理，有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审。规避设计风险虚拟现实所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的“再现”。4.5电子游戏说到虚拟现实技术的应用，不得不说的就是电子游戏领域。一直以来游戏的设计师们都致力于把游戏做的更逼真，让玩家沉浸在游戏的世界里面，体验游戏中的生活。或许现在的科学技术还不能让玩家带上头盔几天几夜不用吃饭完全百分百融入游戏世界，但是相对于传统的电脑游戏虚拟现实游戏不再只是透过一扇“窗户”（萤幕）去观察另一个无关的世界，不刻意强调3D立体效果，但是却能让使用者自然的感受到与物体之间的距离，进而与之互动。而以以往在飞行模拟或竞速赛车等类型游戏中，需要靠多显示器才能达到的