王霏飏
虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)技術(shù)是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的一種,借助該技術(shù)可以讓用戶體驗(yàn)虛擬的世界。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以生成一種模擬的環(huán)境,在該環(huán)境中用戶可以進(jìn)行交互,如同身臨其境一般[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有多感知性,即用戶不僅僅是視覺(jué)上的體驗(yàn),還有聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)感知等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓用戶感到雖是虛擬環(huán)境卻有身臨其境之感,具有沉浸性。在虛擬的環(huán)境中,用戶可以自由操控物體并從環(huán)境獲得反饋,具有交互性。
一般認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展分為4 個(gè)階段。1963 年以前是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的萌芽階段。1935 年美國(guó)科幻小說(shuō)家斯坦利·溫鮑姆構(gòu)想了一種全方位沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。1962 年莫頓·海利希研究并發(fā)明了全傳感仿真器——Sensorama,該仿真器蘊(yùn)含了一定的虛擬現(xiàn)實(shí)思想。1963—1972 年是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)初現(xiàn)階段。1968 年美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家Ivan Sutherlan 發(fā)明了一個(gè)頭盔顯示器 HMD 及頭部位置跟蹤系統(tǒng),該發(fā)明是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。1972—1963 年是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的第三階段。在這一階段中M.MGreevy 領(lǐng)導(dǎo)完成的VIEW 系統(tǒng),用戶可以穿戴特制的數(shù)據(jù)手套和頭部跟蹤器,從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言、手勢(shì)等交互方式。第四階段是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)理論的完善和應(yīng)用階段。2012 年Oculus 公司用眾籌的方式大幅降低了VR 設(shè)備的價(jià)格,這使得VR 向大眾走近了一步。另外在這一階段虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛運(yùn)用到了科研、航空、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。
本文將對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)原理及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹,以期為其未來(lái)發(fā)展提供參考。
虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)首先利用計(jì)算設(shè)備進(jìn)行圖像渲染、邏輯運(yùn)算,在GPU/CPU 硬件和虛擬現(xiàn)實(shí)軟件體系中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用圖形化輸出,顯示終端將輸出數(shù)據(jù)展示在用戶面前。此外還需要輔助設(shè)備對(duì)用戶進(jìn)行位置鎖定、手勢(shì)判斷等,從而完成浸入式的體驗(yàn)。
在一個(gè)VR 系統(tǒng)中,用戶一只眼睛看到的是偶數(shù)幀圖像,另一只眼睛看到的奇數(shù)幀圖像,由于奇數(shù)幀與偶數(shù)幀的不同產(chǎn)生了視差從而產(chǎn)生了立體感。利用追蹤頭部運(yùn)動(dòng)的設(shè)備改變用戶看到的景象,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與視覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)合。在人為創(chuàng)造的環(huán)境中,對(duì)于用戶來(lái)說(shuō),頭、眼的追蹤使用戶看到的景象由眼的方向確定。鼠標(biāo)與鍵盤(pán)改變視覺(jué)場(chǎng)景不再適用,跟蹤頭部運(yùn)動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)頭套可以將用戶的視覺(jué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái),通過(guò)頭部運(yùn)動(dòng)觀察環(huán)境。立體聲效果是靠左耳與右耳聽(tīng)到在不同位置錄制的不同聲音來(lái)實(shí)現(xiàn)的,從而產(chǎn)生方向感。用戶通過(guò)聲音到達(dá)兩只耳朵的時(shí)間不同來(lái)確定聲源的方向。
用戶在虛擬環(huán)境中看到的物品如果設(shè)法觸摸有可能會(huì)穿過(guò)它的表面。為了解決這一現(xiàn)象,通常在數(shù)據(jù)手套內(nèi)層安裝一些可以振動(dòng)的觸點(diǎn)來(lái)使人體感受到觸覺(jué)。VR 系統(tǒng)中,為了使虛擬環(huán)境聽(tīng)懂人的語(yǔ)言,需要借助語(yǔ)音識(shí)別與自然語(yǔ)言處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
在醫(yī)學(xué)方面,通過(guò)建立虛擬的人體模型,醫(yī)學(xué)生能夠清楚直觀地了解人體各器官的結(jié)構(gòu),比在參考書(shū)上查看和老師口述更加有效。在虛擬環(huán)境中,學(xué)生可以進(jìn)行手術(shù)模擬,環(huán)境內(nèi)有虛擬的手術(shù)臺(tái)與燈光以及手術(shù)用品和人體模型等。借助于HMD 和感覺(jué)手套設(shè)備,便可對(duì)人體模型進(jìn)行模擬手術(shù)。在醫(yī)學(xué)院中學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行尸體解剖實(shí)驗(yàn),在仿真效果極高的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中,可以重復(fù)一些在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法重復(fù)的操作,不受標(biāo)本等因素的限制,實(shí)驗(yàn)成本大大降低[2]。
在教育領(lǐng)域,VR 可以應(yīng)用在虛擬實(shí)訓(xùn)基地[3]。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需求隨時(shí)生成新的設(shè)備與場(chǎng)景。由于虛擬現(xiàn)實(shí)具有沉浸式和人機(jī)交互性的特點(diǎn),學(xué)生能全身心的投入到訓(xùn)練中去。學(xué)生可以通過(guò)反復(fù)鍛煉技能直到掌握為止,如汽車(chē)駕駛的技能、作戰(zhàn)技能、儀器維修技能等。VR 還可以應(yīng)用在虛擬校園,在虛擬環(huán)境中建立功能較完整的三維可視教室,作為遠(yuǎn)程教育的平臺(tái)。與普通線上教育相比,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)營(yíng)造的教室讓學(xué)生更能感到上課的嚴(yán)肅氣氛從而提高學(xué)生專心程度。專業(yè)駕駛模擬仿真系統(tǒng)VR—automoto trainer 模擬駕駛室座艙,配合多通道大型環(huán)幕立體投影系統(tǒng)和三維虛擬場(chǎng)景造就沉浸式模擬駕駛仿真系統(tǒng)。用戶操作模擬器和儀表系統(tǒng)與虛擬場(chǎng)景實(shí)行交互。系統(tǒng)可以用于專業(yè)駕駛訓(xùn)練、科學(xué)研究、軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域。
娛樂(lè)方面,游戲是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重要的應(yīng)用方向之一[4]。目前,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在游戲市場(chǎng)越來(lái)越被重視。電子游戲從產(chǎn)生以來(lái)就一直向著三維游戲發(fā)展,未來(lái)的游戲?qū)Ыo用戶沉浸體驗(yàn),使其擁有身臨其境的逼真感。由VR 技術(shù)創(chuàng)造的虛擬環(huán)境能給用戶時(shí)光與空間的旅行體驗(yàn),過(guò)去人們的生活和暢想未來(lái)的世界都可以在虛擬環(huán)境中模擬出來(lái),足不出戶就可以欣賞到青藏高原的茫茫雪山和夏威夷的海濱等美景。在博物館中一些不方便展出的收藏品可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示給游客,以及給游客提供近距離觀賞文物的機(jī)會(huì)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電影拍攝中也有應(yīng)用。Condition one 電影作品——《零點(diǎn)》是首部通過(guò)使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)拍攝的電影,觀影者需要通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔顯示器來(lái)觀看電影,這樣觀影者能看到360 度畫(huà)面,比起3D 電影更有身臨其境的感受。
傳統(tǒng)的應(yīng)急預(yù)演需要大量的人力、物力、財(cái)力的投入,成本很高,而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬的事故現(xiàn)場(chǎng)使用戶積極響應(yīng)降低了資源的浪費(fèi),也不會(huì)造成人員受傷,能夠反復(fù)進(jìn)行演練,從而提高用戶的災(zāi)害應(yīng)對(duì)能力。國(guó)內(nèi)的世峰數(shù)字企業(yè)針對(duì)石油化工企業(yè)會(huì)面臨的突發(fā)事件自主開(kāi)發(fā)了突發(fā)事件應(yīng)急演練VR 系統(tǒng),真實(shí)模擬災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng),利用人機(jī)交互,讓參加演練的人員進(jìn)行處置訓(xùn)練,對(duì)仿真事故現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析與監(jiān)控。系統(tǒng)對(duì)于人員培訓(xùn)、突發(fā)事件的預(yù)警、應(yīng)急管理指揮、應(yīng)急響應(yīng)、事故調(diào)查有重要作用。不僅提高企業(yè)應(yīng)急響應(yīng)能力,還減少了訓(xùn)練的成本。
虛擬現(xiàn)實(shí)是信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn),具有應(yīng)用空間廣,多種技術(shù)協(xié)同,產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)潛力大的特點(diǎn)[5]。虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)鏈主要為內(nèi)容應(yīng)用、終端器件、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和內(nèi)容生產(chǎn),內(nèi)容應(yīng)用為主要增長(zhǎng)點(diǎn)。在2019 年,VR/AR 頭顯設(shè)備出貨量相較2018 年有所回溫,并且市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大,中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)超過(guò)500 億元,世界市場(chǎng)超過(guò)1 000 億元。
國(guó)產(chǎn)芯片雖起步較晚但近兩年發(fā)展迅速。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、算法創(chuàng)新等軟件方面都取得了一定進(jìn)展。我國(guó)政府連續(xù)出臺(tái)了多項(xiàng)推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的政策,提升對(duì)該技術(shù)的支持力度,進(jìn)入技術(shù)紅利釋放期。中央層面指出加大虛擬現(xiàn)實(shí)研發(fā)投入,地方政府層面根據(jù)自身情況制定地方產(chǎn)業(yè)政策。2018 年,工信部發(fā)布了《關(guān)于加快推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》。《意見(jiàn)》明確到2020 年,我國(guó)將建設(shè)若干個(gè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心,2025 年形成若干具有較強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的骨干企業(yè)。
現(xiàn)階段,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中還面臨許多挑戰(zhàn)?,F(xiàn)有的技術(shù)還不能使用戶完全融入到虛擬環(huán)境中去,很多虛擬設(shè)備都需要通過(guò)電纜與計(jì)算機(jī)相連,大大限制了用戶的活動(dòng)范圍。目前,虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備多通過(guò)頭部來(lái)追蹤,缺少身體其他部位的追蹤,許多動(dòng)作無(wú)法真正地在虛擬環(huán)境內(nèi)模擬。虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中攝像機(jī)的使用中,鏡頭的移動(dòng)帶來(lái)不同的焦點(diǎn),會(huì)使用戶感到眩暈從而容易產(chǎn)生疲勞感。此外,大部分設(shè)備有些笨重,佩戴起來(lái)不自然。這些問(wèn)題主要是技術(shù)方面,需要相關(guān)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)加大研發(fā)力度,促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展。