◎王曉玥

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與展望

◎王曉玥

本文主要介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的起源、分類以及關(guān)鍵技術(shù)，最后對該技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

虛擬現(xiàn)實(shí)最早源于美國軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，上世紀(jì)九十年代初逐漸為各界所關(guān)注并且在商業(yè)領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的發(fā)展。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于計算機(jī)產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過計算機(jī)圖形構(gòu)成的三維數(shù)字模型，并編制到計算機(jī)中去生成一個以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環(huán)境成為虛擬環(huán)境（VE），從而使得在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于這個環(huán)境的感覺，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用，使人和計算機(jī)很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)根據(jù)用戶參與形式的不同一般分為：桌面式、沉浸式、增強(qiáng)式、分布式以及混合式。

桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用個人計算機(jī)和低級的工作站進(jìn)行仿真，將計算機(jī)的屏幕作為用戶觀察虛擬界面的一個窗口。桌面顯示系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、易于普及推廣，但最大的缺點(diǎn)是缺乏完全沉浸式的用戶體驗(yàn)。

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。沉浸型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供完全沉浸的體驗(yàn)，通常利用頭盔式顯示器或其他設(shè)備，把參與者的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，提供一個新的、虛擬的空間，并利用位置追蹤器、數(shù)據(jù)手套、其他受控輸入設(shè)備、聲音等使參與者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸在虛擬空間的感覺。

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一種基于網(wǎng)絡(luò)連接的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它是多個用戶通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時參加一個虛擬空間，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷。從上世紀(jì)八十年代開始，美國軍方一直在資助開發(fā)多種分布式虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)項(xiàng)目。2002年運(yùn)用大規(guī)模分布式虛擬戰(zhàn)場環(huán)境JSIMS(Joint Simulation System)進(jìn)行的“千年挑戰(zhàn)2002”被認(rèn)為是美軍歷史上規(guī)模最大的聯(lián)合軍演。我國在863計劃的支持下，2000年10月北航、國防科大、裝甲兵工程學(xué)院等單位聯(lián)合開發(fā)出了基于HLA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的分布式虛擬戰(zhàn)場環(huán)境DVENET，并推廣應(yīng)用。2006年12月，國家863計劃啟動了“虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境”項(xiàng)目。

增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)允許用戶對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行觀察的同時，將虛擬圖像疊加在真實(shí)的物理對象之上，為用戶提供所能看到的與真實(shí)環(huán)境有關(guān)的、存儲在計算機(jī)中的信息，從而增強(qiáng)用戶對真實(shí)環(huán)境的感受，又被稱為疊加式或補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。AR的成像理念與VR沉浸式的成像體驗(yàn)打造出了一種以全息投影現(xiàn)實(shí)為主的混合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，即混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Mix reality，簡稱MR）。這種混合虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備是將計算機(jī)生成的3D虛擬物體全息投射到現(xiàn)實(shí)空間中，使用者可以在現(xiàn)實(shí)空間中與3D虛擬動畫進(jìn)行交互式操作，并觸發(fā)相應(yīng)功能。這類MR設(shè)備的成像原理并不同于沉浸式的VR設(shè)備，它是將虛擬畫面投射到真實(shí)空間中，但所投射的是全息3D圖像，其成像效果突破了虛擬與現(xiàn)實(shí)世界的界限。

關(guān)鍵技術(shù)與前沿應(yīng)用

實(shí)時三維圖形生成技術(shù)。三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時”生成。為了達(dá)到實(shí)時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15幀/秒，最好是高于30幀/秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術(shù)的研究內(nèi)容。

廣角(寬視野)的立體顯示。雙目立體視覺在立體顯示上起了很大作用,用戶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(tǒng)采用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數(shù)幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數(shù)幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產(chǎn)生了立體感。

用戶的跟蹤。在人造環(huán)境中，每個物體相對于系統(tǒng)的坐標(biāo)系都有一個位置與姿態(tài)，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭(眼)的方向來確定的。

觸覺與力覺反饋。在一個VR系統(tǒng)中，用戶可以看到一個虛擬的杯子。你可以設(shè)法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內(nèi)層安裝一些可以振動的觸點(diǎn)來模擬觸覺。

語音識別技術(shù)。在VR系統(tǒng)中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環(huán)境能聽懂人的語言，并能與人實(shí)時交互。而讓計算機(jī)識別人的語音是相當(dāng)困難的，因?yàn)檎Z音信號和自然語言信號有其“多邊性”和復(fù)雜性。例如，連續(xù)語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，同一詞、同一字的發(fā)音受前后詞、字的影響，不僅不同人說同一詞會有所不同，就是同一人發(fā)音也會受到心理、生理和環(huán)境的影響而有所不同。使用人的自然語言作為計算機(jī)輸入目前有兩個問題，首先是效率問題，為便于計算機(jī)理解，輸入的語音可能會相當(dāng)啰嗦。其次是正確性問題，計算機(jī)理解語音的方法是對比匹配，而沒有人的智能。

手勢識別技術(shù)。通過數(shù)據(jù)手套或者深度圖像傳感器來精確測量出手的位置和形狀，由此實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的虛擬手對虛擬物體的操縱。數(shù)據(jù)手套通過手指上的彎曲、扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關(guān)節(jié)的位置和方向，而基于深度傳感器的手勢識別則通過深度傳感器獲得的深度圖像信息進(jìn)行計算，進(jìn)而獲得掌、手指等部分的彎曲角度等數(shù)據(jù)。

動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容。動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù)（有規(guī)則的環(huán)境），而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術(shù)，兩者的有機(jī)結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。

應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對象可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動強(qiáng)度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。為了達(dá)到這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)工具。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)平臺、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀及展望

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)用于多個領(lǐng)域，包括醫(yī)學(xué)、娛樂、軍事航天、室內(nèi)設(shè)計等，并為城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計、工業(yè)仿真、古跡復(fù)原、橋梁道路設(shè)計、房地產(chǎn)銷售、旅游教學(xué)、水利電力、地質(zhì)災(zāi)害、教育培訓(xùn)等眾多領(lǐng)域提供切實(shí)可行的解決方案。例如面向數(shù)字博物館，國內(nèi)相關(guān)單位開發(fā)出的適合博物館演示和研究的虛擬博物館系統(tǒng)。同時本系統(tǒng)也可以作為面向城市規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)的支撐平臺。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有三維聲像效果，能進(jìn)行交互操作，可以提供有趣味性的教育環(huán)境，因而在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)被投資者廣泛看好，并有許多企業(yè)已經(jīng)涉足該產(chǎn)業(yè)。

隨著科技水平的不斷提高，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有廣闊的未來。也許以下的技術(shù)和應(yīng)用在不遠(yuǎn)的將來就會成為現(xiàn)實(shí)。

將圖像直接投射到使用者眼睛的視網(wǎng)膜，讓你的大腦認(rèn)為它是真的。視網(wǎng)膜投射技術(shù)要將全世界變成一塊觸屏——同時又不需要屏幕存在。

虛擬旅行體驗(yàn)?zāi)軌蜃屇阍诩抑袑?shí)現(xiàn)荒野生存的體驗(yàn)，可以帶你到世界上任何無法深入的古跡，如完整的龐貝古城、神秘的金字塔內(nèi)部等。

相信在未來，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的藍(lán)光電影可以讓你在家里體驗(yàn)《星際穿越》，或是置身于《侏羅紀(jì)公園》中，甚至是與《阿凡達(dá)》們一同作戰(zhàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)可以幫助普通人以較低成本實(shí)現(xiàn)星際體驗(yàn)。利用不斷出現(xiàn)及發(fā)展的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的太空體驗(yàn)軟件，相信在未來坐在家中體驗(yàn)太空的神秘也不是一件難事。

隸屬于美國能源部的一個實(shí)驗(yàn)室近日通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)了模擬核反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們通過佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器、運(yùn)行專用軟件，可以反復(fù)練習(xí)在緊急環(huán)境下的核試驗(yàn)操作，從而提升實(shí)際操作時的成功幾率。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)存在的問題及發(fā)展前景

眾多巨頭關(guān)注虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)，然而已經(jīng)面世的幾款產(chǎn)品采用的是頭戴式顯示設(shè)備，用戶體驗(yàn)不好，而且內(nèi)容也略顯單一，僅僅停留在游戲領(lǐng)域。沒有一部能夠完全追蹤人體動作的外設(shè)可以真正帶給參與者毫無障礙的沉浸式體驗(yàn)；缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、兼容性障礙導(dǎo)致眾多第三方廠商止步于混亂的市場現(xiàn)狀；目前虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備因?yàn)閮?nèi)容匱乏而無法吸引用戶；“廉價化”也極大阻礙了行業(yè)的發(fā)展。

相較于國外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)起步稍晚，但國內(nèi)市場給予了國內(nèi)企業(yè)巨大的發(fā)展?jié)摿?，借著我國“互?lián)網(wǎng)+”的春風(fēng)，只要能專注于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研發(fā)，攻克技術(shù)難題，打造更多的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在更廣的領(lǐng)域中大顯身手。

（作者單位：武漢第六中學(xué)）