關于空間虛擬現實的相關研究

周愈晨

摘 要：在計算機功技術日新月異的今天，資料的輸出、輸入不再是鍵盤、鼠標和顯示器。空間虛擬現實技術(Virtual Reality)簡稱VR，是一種利用三維立體圖形生成、多傳感交互以及立體顯示技術的集合，使用者通過多種設備，進入虛擬空間，并操縱場景中的對象進行人機交互。空間虛擬現實的興起，為人機交互開創了新領域。如建筑，文物保護，醫學等方面，將更高層次的虛擬互動世界帶給用戶。

關鍵詞：虛擬現實空間技術人機互動

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2012)07(c)-0021-02

空間虛擬現實技術是利用計算機三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨顯示技術，生成逼真的三維虛擬環境，并通過使用者戴上特殊的頭盔、數據手套等傳感設備，或利用鍵盤、鼠標等輸入設備，便可以進入虛擬空間，使用戶“投入”到該環境中，實現用戶與該環境直接進行自然交互的一門嶄新的綜合性信息技術。其目的是能讓用戶的自然技能對虛擬世界中的物體進行考察或操作，同時提供視，聽，接觸等，直觀而又自然的感知。虛擬現實技術已廣泛應用于航空航天、醫學實習、建筑設計、軍事訓練、體育訓練、娛樂游戲等許多領域。

1 理論背景

空間虛擬現實技術(Virtual Reality，簡稱VR)是20世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術。“虛擬現實”一詞是由美國VPL Research Inc公司的J.Lanier在1989年所創造的。它實時的三維空間表現能力，自然的人機交互式操作環境以及給人帶來的身臨其境感受，將從根本上改變人與計算機之間枯燥，生硬和被動的現狀，為人機交互技術開創新的研究領域，并為我們創建和體驗虛擬世界提供有力的支持，從而大大推進了計算機應用技術的發展。

1.1 虛擬現實技術的劃分

根據用戶參與VR的不同形式以及沉浸的程度不同，我們可以把各種類型的虛擬現實技術劃分四類：(1)桌面級的虛擬現實技術。(2)投入的虛擬現實技術。(3)增強現實性的虛擬現實技術。(4)分布式虛擬現實技術。

由于受資金或是硬件本身性能限制，系統的計算速度、交互手段可能要受到影響，此時可以從軟件上著手彌補缺陷，產生了許多用于優化軟件的技術，例如基于靜態圖像的虛擬現實系統、虛擬仿真等。由于虛擬現實本身并不限制使用的技術范圍，只要能達到目標，可以把各種技術有效地集成起來設計出一個成功的虛擬現實系統。

1.2 虛擬現實技術的定義

VR技術的定義可歸納為：由計算機產生的虛擬的環境，這種環境是由計算機構成的三維空間，或是加入其他現實環境從而產生逼真的“虛擬環境”，并通過多種設備讓用戶“投入”到該環境中，使用戶在視覺，聽覺，觸覺，味覺等多種感官沉浸于虛擬環境的感覺。與傳統的人機交互技術相比，虛擬現實具有三個最突出的特征：交互性，沉浸感和構想性。一個典型的虛擬現實系統主要包括以下五大組成部分：虛擬世界數據，計算機，虛擬現實軟件，輸入設備和輸出設備。與虛擬世界交互的過程大致是：參與者首先激活頭盔，手套和話筒等輸入設備為計算機提供信號，虛擬現實軟件收到由跟蹤器和傳感器送來的輸入信號后加以計算，然后對虛擬環境數據庫作必要的更新，調整當前的虛擬環境場景，并將這一新視點下的三維視覺圖像以及其他(如聲音，觸覺，力反饋等)信息立即傳送給相應的輸出設備(頭盔顯示器，耳機，數據手套等)，以便參與者及時獲得多種感官上的虛擬效果。

1．3 虛擬現實系統的設計要達到的目標

第一、要使參與者有“身臨其境”的體驗。這種體驗就是“沉浸式”或“投入式”，即全身心地進入，簡單地說就是產生在虛擬世界中的錯覺。理想的虛擬環境應達到難以分辯真假的程度，讓不可能成為可能。這種沉浸感的意義在于可以使用戶集中注意力。為了達到這個目標，就必須具有多感知的能力，理想的虛擬現實系統應具備人類所具有的一切感知能力，包括視覺、聽覺、觸覺，甚至味覺和嗅覺。

第二、系統要能提供方便的、豐富的、主要是基于自然技能的人機交互手段。實時性是非常重要的，如果在交互時存在較大的延遲，與人的心理經驗不一致，就談不上以自然技能的交互，也很難獲得沉浸感。為達到這個目標，高速計算和處理就必不可少。

參與者在虛擬環境中的活動或者經歷有兩種形式，一種是主觀參與(First-person activities)(如圖1)，另一種是客觀參與(Second-person activities)(如圖2)。主觀參與時，參與者是整個經歷的中心，一切圍繞參與者進行；客觀參與時參與者則可以在虛擬環境中看到他自己與其它物體的交互。

1.4 軟件與硬件的結合

虛擬現實系統就是要利用各種先進的硬件技術及軟件工具，設計出合理的硬件、軟件及交互手段，使參與者能交互式地觀察和操縱系統生成的虛擬世界。從概念上講，任何一個虛擬現實系統都可以用三個“I”來描述其特性，這就是“沉浸（Immersion）”、“交互（Interaction）”和“想象（Imagination）”。這三個“I”反映了虛擬現實系統的關鍵特性，就是系統與人的充分交互，它強調人在虛擬現實環境中的主導作用。(如圖3)

2 案例

2．1 Quicktime VR在虛擬現實的應用

現在的虛擬現實用戶中使用比較廣泛且方便的就是QuickTime VR，它是美國蘋果公司在QuickTime技術基礎之上開發的虛擬現實技術。

概括地講是一種基于靜態圖像處理的，在微機平臺上能夠實現的初級虛擬現實技術。QuickTime VR屬于桌面虛擬現實的一種。雖然它是初級的虛擬現實技術，但是由于QuickTime VR非常易于使用，用戶在使用時不需要特殊的照相設備，無論是簡單的照相機、專業級單反相機還是數字相機都可以滿足需求。

所有的全景照片都可以直接輸入計算機并被轉換成QuickTime VR格式。用戶可以手工調整圖像，并且透明地查看交疊圖像，這一特性為圖像之間的精細調整提供了便利。(如圖4)如圖為了減少存儲量，QuickTime VR提供了對QuickTime壓縮算法的支持，它可以把QuickTime全景影片通過諸如JPEG等標準壓縮程序壓縮到50K以下。也正是由于這種新的壓縮算法，用戶才能夠看到QuickTime VR導出的mov格式影片。

QuickTime VR提供了非常方便的編輯功能，用戶可以通過簡單的拖放操作，進行快速場景制作瀏覽。由于其容量較小，且是大多數電腦通用的mov的格式，很方便上傳到互聯網讓大家觀看，在帶寬是1M的情況下普通的場景只需要大約10秒就可以在線觀看，在作為宣傳道具的功能就得到了很好的體現，為虛擬現實大眾化鋪平了道路。(如圖5)

這種簡便、廉價、兼容性高的特性使它得到入門級別虛擬現實所不可替代的地位，它的出現使得以往專業實驗室中的成本昂貴的虛擬現實技術的應用普及有了廣闊的前景。

QuickTime VR容量上的優勢但最終導致了內容上的匱乏，雖然QuickTime VR技術使參與者可以自己控制體驗的進程和順序，但是參與者不能與所參與的場景或物品進行互動，這樣就缺失了重要的趣味性，雖然豐富的畫面但卻一成不變的場景，無法感知的過去和將來失去了時間的意義，失去了與場景在同一空間的感覺，讓人很難真正投身其中，而且QuickTime VR的使用者始終只能用一個視角參觀產生視覺疲勞，從而失去對這個作品的興趣。

3 結語

正如其它新興學科技術一樣，虛擬現實技術也是許多相關學科領域交叉、集成的產物。在教育方面可以讓青少年更加了解祖國文化的博大精深，讓他們重新建立起對中國古代文化的興趣，真正做到從多個方面觀賞國畫。

空間虛擬現實的發展在，小區導航，建筑游覽，博物館游覽等系統都已經發展，當然這些都是實物虛擬的作品，空間虛擬現實將來在平面作品上也將大有作為，在不久的將來，空間虛擬現實應該無所不在，可以讓人到達所有向往的地方。

虛擬現實可以實現文化遺產的繼承和重現，不僅能復制現存的東西，還能將僅存在人們記憶或者記載中的寶貴財富具象的展現給大家，既保護了文物，又讓人們跨越時空，欣賞到稀世珍寶。對于考古研究，文物保護、復原，都具有不可小覷的作用。

現在的虛擬現實雖然已經趨于成熟，很多展示方式也已經趨于完美，但是所有的展示技術的基礎，來自各種領域的研究與應用勢必不斷的推陳出新。仍舊停留在將圖像投向視網膜上，或者用復雜的機械運作來模擬手指的觸感，或許將來的虛擬現實技術能使使用者躺在沙發上，閉著眼睛也可以看到自己的故鄉，曾經的風景，而且還能聞到故鄉的味道，觸摸得到故鄉的一草一木。

當然，任何一種新技術的推廣與應用，一方面要靠研究團隊的不斷努力、發展和完善該項技術，另一方面則就需要廣大的使用者能更新他們的思想，積極接受，引入新技術。虛擬現實作為一門新興的科學，目前也尚有諸多因素限制它的廣泛應用但我們可以肯定地說，VR技術將會是繼多媒體，計算機網絡之后，成為最具有應用前景的“明星”技術，它將使21世紀的媒體發生質的變化。它的“沉浸性”，“交互性”與“構想性”，不但非常有利于人們構建一種全新，多變的環境和手段，而且為學習者提供了一種可以進行交互，直觀，自主探索的學習環境和學習方法，從而激發學習積極性，在多方面提高媒體的質量和效果。同時，在Web站點上，虛擬授課，虛擬汽車工程，虛擬校園，虛擬戰場等形式也將不可避免地出現在網絡中，并以它們接近真實并高于真實的優勢，在未來多媒體的領域中占有一席之地。因此，我們應該盡快認識到虛擬現實技術的應用價值，嘗試在各個領域開發它，使用它。我們期待這有朝一日，虛擬現實系統成為一種對多維信息處理的強大系統，成為人進行思維和創造的助手和對人們已有的概念進行深化和獲取新概念的有力工具。

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