簡述虛擬現(xiàn)實技術(shù)

李文霞 顧翀

虛擬現(xiàn)實的特點

虛擬現(xiàn)實采用以計算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高技術(shù)，生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，使用戶如身臨其境一般，可以及時而沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。由此可見，虛擬現(xiàn)實的主要特征為交互性、沉浸感和構(gòu)想性。具體來說可以用3個“I”來概括，即Immersion、Interactivity和Imagination。

1.交互性（Interactivity）

虛擬現(xiàn)實的交互性是指參與者對虛擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度以及用戶從該虛擬環(huán)境中得到反饋的自然程度。而這種交互的產(chǎn)生，需要借助于各種專用的三維交互設(shè)備。例如，船舶結(jié)構(gòu)虛擬裝配系統(tǒng)中借助三維鼠標(biāo)，用戶便可以感受在虛擬船舶內(nèi)走動并可以拆裝設(shè)備。

2.沉浸感（Immersion）

又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在于該虛擬環(huán)境中的真實程度。VR技術(shù)最主要的技術(shù)特征就是使用戶具備一種在計算機(jī)虛擬環(huán)境中的沉浸感，即讓使用者覺得自己是計算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境的一部分，使人由觀察者變?yōu)閰⑴c者，從而能投入到計算機(jī)實踐并沉浸其中。在曼恒數(shù)字呈現(xiàn)的虛擬船舶內(nèi)，用戶戴上三維立體眼鏡便能感覺自己抽離了現(xiàn)實，沉浸于大海之中的船舶上。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶全身心投入到計算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，在該環(huán)境中，看起來、聽起來、聞起來、摸起來甚至嘗起來感覺都是真的，跟現(xiàn)實世界毫無分別。

3.構(gòu)想性（Imagination）

構(gòu)想性強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實技術(shù)廣闊的想像空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。在電影《阿凡達(dá)》中，卡梅隆依靠自己的想象和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，創(chuàng)造了一個夢幻般的星球——潘多拉星球，片中的巖石沙塵、森林陡山、外星生物都是構(gòu)想的，虛擬現(xiàn)實的構(gòu)想性應(yīng)用給觀眾帶來了首當(dāng)其沖的視覺震撼。

虛擬現(xiàn)實的分類

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門涉及到計算機(jī)、圖像處理與模式識別、語音和音響處理、人工智能技術(shù)、傳感與測量、仿真、微電子等技術(shù)的綜合集成技術(shù)。從不同角度出發(fā)可以有不同的分類，這里我們從系統(tǒng)性能進(jìn)行分類，主要分為沉浸式、分布式、增強(qiáng)現(xiàn)實型和桌面式虛擬現(xiàn)實。

1.沉浸式虛擬現(xiàn)實

沉浸式虛擬現(xiàn)實是一種最佳的虛擬現(xiàn)實模式，提供一個完全沉浸的體驗。虛擬現(xiàn)實影院（VR theater）就是一個完全浸入式的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，用幾米高的6個平面組成的立方體屏幕環(huán)繞在觀眾周圍，設(shè)置在立方體外圍的6個投影設(shè)備共同投射在立方體的投射式平面上，觀眾置身于立方體中可同時觀看由5個或6個平面組成的圖像，完全沉浸在圖像組成的空間中。沉浸式虛擬現(xiàn)實選用了完備的虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備和先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實軟件技術(shù)支持，從而模擬出一套比較復(fù)雜的系統(tǒng)，優(yōu)點是使用戶全身心地體驗該虛擬環(huán)境，但是在硬件和軟件方面投資較大。

2.分布式虛擬現(xiàn)實

分布式虛擬現(xiàn)實（通常又稱為分布式虛擬環(huán)境）是多用戶基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式交互、信息共享和仿真計算等，如暴雪公司2004年推出公測的魔獸世界網(wǎng)絡(luò)游戲，中視典2012年推出的“超炫VRPIE多人在線MMO”支持多人在線互動等。分布式虛擬現(xiàn)實需要通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的各類數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡(luò)的實時性、穩(wěn)定性、帶寬都有較高的要求。

3.增強(qiáng)現(xiàn)實型虛擬現(xiàn)實

也稱混合現(xiàn)實，通過計算機(jī)技術(shù)，將虛擬的信息疊加到真實世界中，用戶既能感受真實世界，同時又能看到虛擬對象，以此實現(xiàn)對真實世界的增強(qiáng)。這種系統(tǒng)不但減少對構(gòu)成復(fù)雜真實環(huán)境的計算，又可對實際物體進(jìn)行操作，真正達(dá)到亦真亦幻的境界。戴上谷歌最新發(fā)布的Project Glass增強(qiáng)現(xiàn)實眼鏡，在馬路上行走時，Google Maps會自動導(dǎo)航；到達(dá)迪特時，自動顯示地鐵停運信息；還能通過語音控制眼鏡取景拍照等。

4.桌面式虛擬現(xiàn)實

也稱基本虛擬現(xiàn)實技術(shù)模式，是基于普通PC平臺的小型桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。計算機(jī)屏幕作為虛擬場景觀察窗口，位置跟蹤器、鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套、力反饋器等作為手控輸入設(shè)備，來模擬操作虛擬場景，是不完全沉浸的。它最大的特點是缺乏完全投入，但是成本相對較低。現(xiàn)在，各大高校都建立起虛擬校園，用戶能夠游覽虛擬校園內(nèi)的三維景觀游覽校園。

虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)

由于虛擬現(xiàn)實需要提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，因此需要依托于計算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、機(jī)械學(xué)、生物學(xué)乃至美學(xué)和社會科學(xué)等多種學(xué)科。歸根到底，虛擬現(xiàn)實技術(shù)包括實物虛化、虛物實化和高性能的計算處理技術(shù)這3個主要方面。因此，虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)可從以上3方面進(jìn)行概括。

1.實物虛化

實物虛化就是將真實世界的物體或構(gòu)想出來的物體映射到虛擬世界中，主要包括模型的構(gòu)建、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)使得真實感強(qiáng)的虛擬世界產(chǎn)生、虛擬環(huán)境獲得用戶操作數(shù)據(jù)成為可能。其中模型構(gòu)建可以利用現(xiàn)階段的一些三維制作軟件，比如3DMax、Maya等，對于空間、視覺和聲音跟蹤則需要借助于硬件設(shè)備，比如3DSpace數(shù)字化儀、SpaceBall空間球等。

2.虛物實化

通過實物虛化產(chǎn)生虛擬環(huán)境，而要確保用戶在虛擬環(huán)境中獲取視覺、聽覺和觸覺等感官感受則需要依托于虛物實化。

虛物實化的實現(xiàn)主要是各種傳感器的作用，包括視覺、觸覺、聽覺和力學(xué)等傳感器，比如數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、頭盔顯示器、3D眼鏡等。但是現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的要求，例如，數(shù)據(jù)手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不方便等缺點；虛擬現(xiàn)實設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高，因此有必要開發(fā)出更先進(jìn)的傳感器。

3.高性能計算處理技術(shù)

虛擬現(xiàn)實是以計算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高新科技，高性能的計算處理技術(shù)是直接影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。具有計算速度高，處理能力強(qiáng)，存儲容量大和聯(lián)網(wǎng)特性強(qiáng)等特征的計算處理技術(shù)。

4.應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具

虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造性。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對象可大幅度提高效率，減輕勞動強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。為了達(dá)到這一目的，有必要研究VR的開發(fā)工具，例如VR系統(tǒng)開發(fā)平臺、分布式VR技術(shù)等。

虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為數(shù)字出版的一個新方向，由于其能產(chǎn)生具有交互作用的虛擬世界，使得人機(jī)交互界面更加形象逼真，該技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于城市規(guī)劃、醫(yī)學(xué)、軍事航天、娛樂影視、工業(yè)仿真、文物古跡、游戲等領(lǐng)域，并取得一定的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

近年來，利用虛擬現(xiàn)實的仿真效果與傳統(tǒng)印刷相結(jié)合，建立印刷機(jī)械、印刷車間等仿真模型，從而實現(xiàn)印刷車間的漫游、印刷機(jī)內(nèi)部零件的展示及拆解、印刷機(jī)部分機(jī)構(gòu)傳動過程的動態(tài)演示及相關(guān)視頻和動畫的連接等。這對加強(qiáng)實訓(xùn)中心裝備建設(shè)，滿足印刷從業(yè)者的培養(yǎng)目標(biāo)提供了重要保證。