胡章榮 西華師范大學(xué)教育信息技術(shù)中心

1 虛擬現(xiàn)實(shí)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為平臺(tái)，利用并綜合三維圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)、伺服技術(shù)等多種高科技最新成果。利用計(jì)算機(jī)等多種設(shè)備為人類創(chuàng)建一個(gè)虛擬空間，在這個(gè)虛擬空間里，用戶可以跟任何事物進(jìn)行自然交互，并向參與者傳導(dǎo)視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、導(dǎo)航漫游等身臨其境的感受，使參與者能夠與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的三維實(shí)體進(jìn)行交互和感知，親身體驗(yàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)世界遨游的神秘、浩瀚感受。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展

VR的最早起源于19世紀(jì)起的360°壁畫和全景圖，通過繪畫填充觀看者的整個(gè)視野，使他們感受到一些歷史事件或場(chǎng)景。在1838年，Charles Wheatstone利用雙目視差原理發(fā)明出了可以看出立體畫面的立體鏡，通過立體鏡觀察兩個(gè)并排的立體圖像或照片給用戶提供縱深感和沉浸感。1849年David Brewster以凸透鏡取代立體鏡中的鏡子發(fā)明了改良型的立體鏡，而且立體鏡的設(shè)計(jì)原理也應(yīng)用于當(dāng)今較為流行的3D立體視覺模擬技術(shù)和低廉的VR頭戴式顯示器，它們都是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和顯示成像技術(shù)對(duì)左右眼分別提供一組視角不同的畫面來營(yíng)造出雙目視差的環(huán)境，從而讓人感覺到立體畫面。1929年，Edward Link發(fā)明了歷史上第一個(gè)純機(jī)電的商業(yè)飛行模擬器，它由連接到方向舵和轉(zhuǎn)向柱的電動(dòng)機(jī)控制，以修改俯仰和滾轉(zhuǎn)。1960年Morton Heilig 發(fā)明了第一個(gè)VR頭戴式顯示器，它給觀眾帶來完全真實(shí)的感覺，比如移動(dòng)彩色三維圖像、沉浸其中的視角、立體的聲音、氣味和空氣流動(dòng)的感覺。第二年，工程師Comeau和Bryan開發(fā)了第一個(gè)HMD的前驅(qū)物—Headsight，盡管Headsight缺乏計(jì)算機(jī)和圖像生成的集成，但它仍是VR頭戴式顯示器演變的第一步。1965年，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父和虛擬現(xiàn)實(shí)之父Ivan Sutherland發(fā)表了一篇題為“Ultimate Display”的論文，文章指出，應(yīng)該將計(jì)算機(jī)顯示屏幕作為“一個(gè)觀察虛擬世界的窗口”，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠使該窗口中的景象、聲音、事件和行為非常逼真。1968年，Ivan和他的學(xué)生Bob Sproull創(chuàng)建了第一款連接到計(jì)算機(jī)而不是相機(jī)的VR/AR頭戴顯示器, 被稱為“達(dá)摩克利斯之劍”。1969美國(guó)計(jì)算機(jī)藝術(shù)家、互動(dòng)藝術(shù)家從事了許多計(jì)算機(jī)互動(dòng)的工作，其中包括GlowFlow。GlowFlow是一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制，以人響應(yīng)作為輸入的環(huán)境，是早期虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境原型。1987年美國(guó)VPL公司研發(fā)出了一系列虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，包括Dataglove和EyePhone頭戴式顯示器和手套，其創(chuàng)建人Jaron Lanier提出了VR概念。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)的特征

模擬出真實(shí)空間，讓用戶沉浸其中，并與環(huán)境自然交互，激發(fā)用戶想象，尋求問題解決方案是虛擬現(xiàn)實(shí)的主要功能之一。虛擬現(xiàn)實(shí)只有同時(shí)具備沉浸性、交互性和想像性才能讓用戶體驗(yàn)更真實(shí)的感受。(1)沉浸性,虛擬現(xiàn)實(shí)最主要的特征就是讓用戶感覺就像置身于真實(shí)世界中一樣，并可以通過視覺感知，聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知、味覺感知、嗅覺感知等感知系統(tǒng)與虛擬世界中的情景進(jìn)行自然交互。理想的虛擬環(huán)境足以以假亂真，達(dá)到難以辨別真假的程度，甚至超越真實(shí)，實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)實(shí)更逼真的照明和音響效果。(2)交互性,用戶可以借助VR系統(tǒng)中的特殊設(shè)備（如數(shù)據(jù)手套、虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示設(shè)備等）使參與者能夠與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的三維實(shí)體進(jìn)行交互和感知，親身體驗(yàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)世界遨游的神秘、浩瀚感受。與過去通過鼠標(biāo)、鍵盤等手工方式與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行交互相比而言，在VR中，用戶完全沉浸在虛擬世界中，無法感知計(jì)算機(jī)的存在，用戶的一些自然的動(dòng)作，如腳的走動(dòng)、頭的轉(zhuǎn)動(dòng)、手的移動(dòng)等，都會(huì)通過傳感器傳導(dǎo)給VR系統(tǒng)，做出實(shí)時(shí)響應(yīng)。(3)想像性,VR不僅僅是一個(gè)交互窗口或交互界面，同時(shí)它還是為解決生活中的實(shí)際問題而由開發(fā)者設(shè)計(jì)出來的應(yīng)用軟件。是為發(fā)揮設(shè)計(jì)者想象和創(chuàng)新性而設(shè)計(jì)的，為人類認(rèn)識(shí)世界提供的一種全新的方法和手段，可以使人類跨越時(shí)間與空間，去經(jīng)歷和體驗(yàn)世界上早已發(fā)生或尚未發(fā)生的事件；也可以模擬因條件限制等原因而難以實(shí)現(xiàn)的事情。

4 VR的應(yīng)用

目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用面較廣，涉及軍事、航空、教育、建筑、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、文化、藝術(shù)與娛樂等領(lǐng)域。

4.1 VR在應(yīng)急推演

對(duì)于一些具有一定危險(xiǎn)性的行業(yè)，如消防、電力、石油、礦產(chǎn)、航空、軍事等，為了在事故發(fā)生時(shí)將損失降到最低，就會(huì)對(duì)各種設(shè)備的運(yùn)行情況及災(zāi)難發(fā)生時(shí)的情景進(jìn)行定期推演。但這種推演會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，不能頻繁進(jìn)行。虛擬現(xiàn)實(shí)的出現(xiàn)為應(yīng)急演練提供了一種全新的方式，將現(xiàn)實(shí)環(huán)境模擬到虛擬場(chǎng)景中去，人為制造各種事故，安排人員對(duì)事故做出正確的反應(yīng)。降低演練成本，提高演練頻率，使演練不受時(shí)間和空間的限制，擴(kuò)大演練范圍和人員數(shù)量，提高對(duì)災(zāi)難的應(yīng)對(duì)能力，減少災(zāi)難造成的損失。

4.2 VR在醫(yī)學(xué)應(yīng)用

VR在教學(xué)和醫(yī)療手術(shù)中具有重要意義。在虛環(huán)境模擬人體模型，借助于跟蹤球、HMD、感覺手套，學(xué)生可以很直觀了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu)，這比現(xiàn)有的采用教科書的方式要有效得多。在90年代初Pieper和Satara等人設(shè)計(jì)了一個(gè)用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬的虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器。并在這里虛擬了手術(shù)臺(tái)和手術(shù)燈，人體模型與器官，外科工具（如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等）等。使用者可以借助HMD及感覺手套對(duì)虛擬的人體模型進(jìn)行手術(shù)。為了打破空間限制，可以增加網(wǎng)絡(luò)功能，讓多個(gè)使用者在外地專家的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)或協(xié)同工作。通過虛擬手術(shù)訓(xùn)練器不僅可以提高使用者的技能，而且還能使醫(yī)療資源得到充分共享，降低醫(yī)療成本，提高醫(yī)術(shù)水平。

4.3 VR在游戲中的應(yīng)用

游戲?qū)μ摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用，電腦游戲自產(chǎn)生以來，一直都在朝著虛擬現(xiàn)實(shí)的方向發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)已經(jīng)成為三維游戲工作者的崇高追求。雖然還有很對(duì)技術(shù)問題沒有解決，但在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中，越來越多的新技術(shù)得到了重視，并在游戲中得以應(yīng)用。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，游戲在保持其實(shí)時(shí)性和交互性的同時(shí)，逼真度和沉浸感方面正在一步步提高和加強(qiáng)，并已從最初的文字MUD游戲開始，經(jīng)歷二維游戲、三維游戲，發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)三維游戲了。我們相信，隨著三維技術(shù)的快速發(fā)展和軟硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步，在不遠(yuǎn)的將來，真正意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲必將為人類娛樂、教育和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出新的更大的貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語

本文就虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）的概念、特征、發(fā)展和主要應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了介紹，由此可知，VR作為當(dāng)前及未來研究的熱門技術(shù)，可以被廣泛應(yīng)用到生活中的各個(gè)領(lǐng)域，必將推動(dòng)各領(lǐng)域的快速發(fā)展。