虛擬現實技術及其未來展望

[摘 要] 虛擬現實技術是多種技術的綜合,是一門前沿學科。目前,虛擬技術的應用已涉及到軍事、教育、醫學、心理學、商業、影視等領域。它是21世紀的重要發展學科。

[關鍵詞] 虛擬現實;交互性;可視化

虛擬現實(Virtual Reality,VR)是利用計算機、電子技術、圖像技術、傳感器技術、多媒體技術、人機接口技術及仿真技術等多種科學技術發展起來的計算機領域的最新技術,是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統。虛擬技術是一門富有挑戰性的交叉技術、前沿科學和研究領域。目前虛擬技術已涉及到軍事、教育、醫學、心里學、商業、影視等領域,是21世紀的重要發展學科。

一、虛擬技術的特征

虛擬環境是利用計算機生成并控制的,因此人處在利用虛擬技術創建的虛擬環境之中和真實環境是沒有差別的。虛擬現實具有3個最突出的特性:交互性(Interactivity)、沉浸性(Illusion of Immersion)和構想性(Imagination)。

1、交互性(Interactivity)

人們可以通過使用專門的輸入和輸出設備(主要通過數據手套、頭盔、數據衣等)以自然地方式(如自身的語言、動作等)和虛擬世界中的對象進行交互操作和交流。

2、沉浸感(Illusion of Immersion)

沉浸感是指用戶在純自然的狀態下借助交互設備和自身的感知覺系統對虛擬環境的投入程度。虛擬世界給人一種身臨其境的感覺。

3、構想性(Imagination)

指借助虛擬技術可以使用戶沉浸其中并獲得新的知識,從而使用戶深化概念和萌發新意。因此說虛擬現實可以啟發人創造性思維,使抽象概念具體化。

二、虛擬現實技術的應用領域

虛擬現實技術應用非常廣泛,它可以用于軍事、教育訓練、設計規劃、產品建模、心理學治療及藝術與娛樂等多

方面。

1、軍事領域

虛擬現實技術在軍事領域中發揮著重要的作用,被廣泛的應用于軍事訓練、武裝裝備的研究和生產以及軍事教育等各個方面。

目前的軍事模擬訓練大多是虛擬現實系統。在海灣戰爭中,美國士兵原本對周邊環境非常陌生,是虛擬現實技術把他們帶到那漫無邊際的風塵黃沙中,讓他們“身臨其境”感受到大漠的荒涼。英國國防部向外界公開了全世界最大和最精確地模擬作戰訓練系統“合成兵戰術訓練師”,由170輛全面聯網的高技術戰車模擬器組成,全面革新了裝甲戰斗集群的戰術仿真訓練。

NASA虛擬工作站是美國航空航天局與軍事部門為了模擬訓練而開發的。

美國陸軍的自動虛擬實驗室CAVE是一個典型的虛擬現實系統。至2000年,美國陸軍已擁有一個包括綜合作戰系統環境所用作戰單元CCTT的模擬仿真器。目前美國正在開發空軍的任務支援系統(AFMSS)和海軍的特種作戰部隊計劃和演習系統(SOF PARS)。

我國趙沁平教授從1996年開始研究“分布式虛擬環境”,在863計劃的資助下,以北京航空航天大學計算機系為系統集成單位,中科院軟件所、國防科技大學等單位為關鍵技術單位,包括合成環境、虛擬士兵、武器等研究,目前已達到美國同類產品的水平。

2、醫學

虛擬現實技術在醫學領域可以用于教學及復雜手術的規劃。并且可以提供操作和對手術結果進行預測,進行人體解剖仿真、外科手術仿真等,利用虛擬的醫療手術治療系統,對患者進行遠程的救治。

2003年,我國第一軍醫大學宣布完成了首例女虛擬人的數據采集。首都醫科大學對虛擬中國女性數據集的高分辨率可視化和上海交通大學對虛擬人體運動建模的研究各有特色。

1985年美國國立醫學圖書館(NLM)就開始人體解剖圖像數字化研究和利用,目前已經有虛擬人體模型可供下載。虛擬現實技術可以遙感外科手術。在偏遠的山區,通過遠程的醫療虛擬現實系統,醫生只需要對虛擬病人模型進行手術,通過網絡將醫生動作傳送到另一端的手術機器人,由機器人對病人實施遠程手術。手術實時進展的情況也可以通過機器人攝像機實時傳給醫生的頭盔立體顯示器,以便醫生實時的掌握手術情況。

3、教育

虛擬現實技術應用于教育是教育發展的一個飛躍。它使傳統的“以教促學”的學習方式被取而代之為學習者通過自身與信息環境的相互作用來得到知識。

國內利用虛擬現實技術開發了多媒體教學軟件,如鄒湘軍、周榮安等人開發的機械制造工程學多媒體教學軟件,效果逼真。該軟件已在南華大學和國防科技大學指揮專業的教學中使用。

利用虛擬現實技術進行仿真教學和實驗,可以模擬顯現那些在現實中存在的、但在課堂教學環境下不容易做到或要花費很大代價才能顯現的各種事物,供學生學習和探索。美國一個“虛擬物理實驗室”系統的設計就使得學生可以通過親身的做、看、聽來學習的方式成為可能。

4、工程領域

虛擬現實技術在工程領域的應用有很多方面,如城市建設、機械制造等。在機械制造中,利用它的直觀性和交互性可以幫助設計人員進行產品的設計和制造。

虛擬現實技術在我國工業產品開發中也有非常廣泛的應用,如嚴雋琪教授開發的“虛擬產品開發技術的理論體系研究”、孫健教授的“虛擬環境下啤酒灌裝生產線”的研究等均取得了一定的成果。

在現代城市建設中,設計人員更關心的是建筑的整體設計效果。利用虛擬現實技術在設計階段就可以動態的、可視的、多方位的展現建筑物的外貌、地理環境和輔助設施,設計人員可以在虛擬建筑物中漫游,來查看自己的設計是否合理得當。

利用虛擬現實技術,日本開發了虛擬東京古羅馬時代最宏偉的建筑——Trajan廣場再現。我國浙江大學開發了虛擬故宮,武漢大學開發的數碼城市系統,這些都是虛擬現實技術的應用。

三、虛擬技術的展望

虛擬現實在軍事上對未來研究與應用體現在這幾個方面:控制無人作戰、利用戰場發回各種數據生成虛擬戰場、通過人機協調共同分析和進行戰事指揮、虛擬軍事地圖和已發生的戰爭再現。

在城市規劃中,利用虛擬現實,模擬出建筑物,讓設計人員室內考察,因而虛擬現實技術是建筑規劃、方案設計、裝修效果展示等方面的有力工具。虛擬技術在建筑設計業、虛擬城市和建筑裝修業等領域有著日益廣泛的發展前景,成為研究的熱點。

虛擬現實技術在醫學領域有非常廣闊的前景。21世紀,最富有意義的挑戰是醫學虛擬系統的研制和開發,其中不同類型的虛擬人體的研制是科學工作者一項艱巨的任務。遠程醫療服務是一個很有潛力的發展領域,同時心理學方面的研究與應用也是一項很有前景的應用領域。

虛擬現實技術是繼多媒體技術、計算機網絡之后,在教育領域最具有前景的技術。它的科學可視化的應用,可以解決文化教育中硬件資源的不足,可以幫助我們理解科學實驗數據。現實生活中很多不可見的東西,如電磁場、紅外線等,利用虛擬現實技術就很容易將其可視并生動的展現在我們面前。虛擬技術使虛擬教室、虛擬圖書館、虛擬校園、虛擬考場等新興的教育形式成為可能,使其在未來教育中占有一席之地。

近幾年來,網絡技術的飛速發展,使信息應用系統發生了質的變化,分布式虛擬現實則是一個典型的例子。分布式虛擬環境系統能夠滿足復雜虛擬環境的計算需求,還能滿足分布式仿真等對共享虛擬環境的自然需求。分布式虛擬現實是基于網絡的虛擬現實系統,可供多個用戶同時異地參與分布式虛擬環境,不同地域的用戶可以通過聲音、文字等進行交流和學習。分布式虛擬現實技術將是未來虛擬現實的重要發展趨勢。

總之,虛擬現實技術是具有深遠的潛在應用方向的新技術,它將對科學、工程、文化教育、醫學和認知等各種領域產生深刻的影響。有朝一日,虛擬現實系統將成為人們進行思維和創造的助手,是人們對已有的概念進行深化和獲取新概念的有力工具。

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[作者簡介]

趙曉華,陜西交通職業技術學院信息工程系教師,工程師,研究方向為現代信息技術與應用.