車敏 拓明福 柳泉

摘 要：文中首先介紹了虛擬現(xiàn)實的含義，陳述了虛擬現(xiàn)實的特征、基本結(jié)構(gòu)及虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)，分析了虛擬現(xiàn)實應(yīng)用和發(fā)展所面臨的問題，對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)作全面解析。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；沉浸感；虛擬環(huán)境；交互性

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-02

0 引 言

易凱資本創(chuàng)始人王冉說：“如果說未來五到十年有什么東西能夠像Uber顛覆全球出租車行業(yè)一樣顛覆全球娛樂產(chǎn)業(yè)，我認為就是VR（虛擬現(xiàn)實）[1]?！?/p>

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是采用以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸等一體化特定范圍的虛擬環(huán)境（Virtual Environment，VE），用戶通過輸出設(shè)備以自然方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用，相互影響，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)產(chǎn)生于20世紀60年代，美國VPL公司拉尼爾（Joaron Lanier）于20世紀80年代提出了Virtual Reality一詞。直到20世紀末，這項綜合性信息技術(shù)才真正興起[2]。由于其超仿真效果明顯，VR技術(shù)被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品展示、工業(yè)制造、醫(yī)療教學、軍事虛擬作戰(zhàn)、教育培訓等領(lǐng)域。

1 虛擬現(xiàn)實的主要特征

任何虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)都可用3個“I”來描述其特征，即沉浸感（Immersion），交互性（Interaction）和想象力（Imagination）。

沉浸感指用戶在模擬環(huán)境中所感受到的真實程度。由計算機產(chǎn)生逼真的三維立體圖像，使用者通過頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套或數(shù)據(jù)衣等交互設(shè)備，可將自己置身于虛擬環(huán)境中。使用者與虛擬環(huán)境中各種對象的相互作用如同在現(xiàn)實世界一般。當使用者移動頭部時，虛擬環(huán)境中的圖像也會實時跟隨變化，物體可以隨著手勢移動而運動，使用者還可聽到三維仿真聲音。沉浸感是虛擬現(xiàn)實最終的實現(xiàn)目標，其他兩者是實現(xiàn)這一目標的基礎(chǔ)，三者之間是過程與結(jié)果的關(guān)系。

交互性指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作性和從環(huán)境得到反饋的自然程度。構(gòu)想性指虛擬環(huán)境使人沉浸其中并獲取新知識，提高感性和理性認識，深化認知萌發(fā)新意。沉浸感與交互性是決定一個系統(tǒng)是否屬于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵特征。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特性如圖1所示。

2 VR系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是融合計算機圖形學、智能接口技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信等的綜合性技術(shù)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)具備與用戶交互、實時反映交互結(jié)果的功能。一般虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要由專業(yè)圖形處理計算機、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入輸出設(shè)備和數(shù)據(jù)庫組成，如圖2所示。

專業(yè)圖形處理計算機在系統(tǒng)中處于核心地位，是虛擬現(xiàn)實的引擎，主要負責從輸入設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)、訪問與任務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，對任務(wù)要求進行實時計算，從而更新虛擬世界的狀態(tài)，并且將結(jié)果反饋給輸出設(shè)備等。虛擬世界是一個相對復雜的場景，系統(tǒng)很難預測所有用戶的動作，也就很難在內(nèi)存中存儲所有相應(yīng)的狀態(tài)，因此，虛擬世界需要實時繪制和刪除，大大增加了計算機的運算量，因此，對計算機的配置要求比較高。

應(yīng)用軟件系統(tǒng)是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵，提供了工具包和場景圖，主要用于建立和管理虛擬世界中對象的幾何模型、物理模型、行為模型；三維立體聲的生成、三維場景的實時繪制；虛擬世界數(shù)據(jù)庫的建立和管理等。

數(shù)據(jù)庫用來存放整個虛擬世界中所有對象模型的相關(guān)信息。虛擬世界中的場景需實時繪制，大量虛擬對象需保存、調(diào)用和更新，因此要求數(shù)據(jù)庫對對象模型進行分類管理。

輸入設(shè)備可檢測用戶的輸入信號，通過傳感器輸入計算機?；诓煌墓δ芎湍康?，輸入設(shè)備除了傳統(tǒng)的鼠標、鍵盤外，還包括用于手姿輸入的數(shù)據(jù)手套、獲取身體姿態(tài)的數(shù)據(jù)衣、語音交互麥克風等。

輸出設(shè)備是對輸入的反饋，由計算機生成的信息通過傳感器傳給輸出設(shè)備。輸出設(shè)備除屏幕外，還包括聲音反饋的立體聲耳機、力反饋的數(shù)據(jù)手套以及大屏幕立體現(xiàn)實系統(tǒng)。

3 VR的價值及應(yīng)用

對于VR技術(shù)的價值評價，存在兩種聲音。有人認為虛擬現(xiàn)實所帶來的沉浸感以及人機交互性，相比傳統(tǒng)的人機界面體驗更美好，使人更易沉浸在虛擬環(huán)境中，導致使用者難以區(qū)分虛擬與現(xiàn)實，易成癮，形成心理問題。而有人認為虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有成本低、安全性能高、形象逼真、可重復使用等特點，可為人類在某些領(lǐng)域的研究帶來全新的體驗，極大地影響著人們的生活、學習、工作。

在航空航天領(lǐng)域，采用VR技術(shù)可以最低成本模擬太空環(huán)境和太空艙，使航天員獲得身臨其境的感知。同時它還可通過軟件參數(shù)設(shè)置，人為模擬生成一些突發(fā)事件改變環(huán)境，以此來訓練航天員應(yīng)對突發(fā)事件的能力。太空的失重感也可通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，借助一定的輔助設(shè)備使航天員完成體驗。該技術(shù)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。VR技術(shù)可以清晰地模擬戰(zhàn)場的地形地貌，顯示精確的經(jīng)緯坐標，對軍事指揮決策，如根據(jù)地形地貌合理分配作戰(zhàn)人員、火力布局設(shè)置，有較好的指導作用。同時還能模擬軍事訓練和演習。傳統(tǒng)軍事訓練演習成本高，安全性差，而采用VR技術(shù)可在實驗室完成作戰(zhàn)模擬。有助于高端設(shè)備的研制，如運20大飛機制作過程中就采用了VR技術(shù)。另在醫(yī)學培訓、教育、游戲產(chǎn)業(yè)方面，VR應(yīng)用廣泛。

4 目前VR發(fā)展所面臨的問題[3]

盡管VR技術(shù)給人機交互帶來了全新的體驗。從上世紀80年代VR概念提出到現(xiàn)今VR技術(shù)的應(yīng)用，這項技術(shù)并未真正走入我們的生活，而造成這樣局面的原因如下[4]：

（1）目前VR產(chǎn)品存在性價比不高、舒適度較差等問題。當前VR產(chǎn)品主要分為3種，即基于手機的VR，VR一體機和基于PC機的VR?；谑謾C的VR價格相對低廉，屬百元級，運算性能屬于中等嵌入式等級，佩戴較重，VR體驗一般。VR一體機價格屬于千元級，運算性能屬于中等嵌入式等級，佩戴沉重，VR體驗一般；基于PC機的VR價格較貴，要求高配置的PC，運算性能較高，佩戴較輕，VR體驗較好。由于技術(shù)和成本的限制，目前消費市場中尚未出現(xiàn)低價格、高性能的輕薄VR產(chǎn)品。