虛擬現實技術的發展與展望

◎王曉玥

虛擬現實技術的發展與展望

◎王曉玥

本文主要介紹了虛擬現實技術的起源、分類以及關鍵技術，最后對該技術的發展前景進行了展望。

虛擬現實最早源于美國軍方的作戰模擬系統，上世紀九十年代初逐漸為各界所關注并且在商業領域得到了進一步的發展。這種技術的特點在于計算機產生一種人為虛擬的環境，這種虛擬的環境是通過計算機圖形構成的三維數字模型，并編制到計算機中去生成一個以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環境成為虛擬環境（VE），從而使得在視覺上產生一種沉浸于這個環境的感覺，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環境及事物的內在變化，并能與之發生“交互”作用，使人和計算機很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺。

虛擬現實系統分類

目前，虛擬現實系統根據用戶參與形式的不同一般分為：桌面式、沉浸式、增強式、分布式以及混合式。

桌面式虛擬現實系統。桌面虛擬現實系統利用個人計算機和低級的工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬界面的一個窗口。桌面顯示系統最大的特點是結構簡單、價格低廉、易于普及推廣，但最大的缺點是缺乏完全沉浸式的用戶體驗。

沉浸式虛擬現實系統。沉浸型虛擬現實系統提供完全沉浸的體驗，通常利用頭盔式顯示器或其他設備，把參與者的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，提供一個新的、虛擬的空間，并利用位置追蹤器、數據手套、其他受控輸入設備、聲音等使參與者產生一種身臨其境、全心投入和沉浸在虛擬空間的感覺。

分布式虛擬現實系統。分布式虛擬現實系統是一種基于網絡連接的虛擬現實系統，它是多個用戶通過計算機網絡連接在一起，同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經歷。從上世紀八十年代開始，美國軍方一直在資助開發多種分布式虛擬戰場系統項目。2002年運用大規模分布式虛擬戰場環境JSIMS(Joint Simulation System)進行的“千年挑戰2002”被認為是美軍歷史上規模最大的聯合軍演。我國在863計劃的支持下，2000年10月北航、國防科大、裝甲兵工程學院等單位聯合開發出了基于HLA標準協議的分布式虛擬戰場環境DVENET，并推廣應用。2006年12月，國家863計劃啟動了“虛擬現實應用系統集成開發環境”項目。

增強式虛擬現實系統。增強式虛擬現實系統允許用戶對現實世界進行觀察的同時，將虛擬圖像疊加在真實的物理對象之上，為用戶提供所能看到的與真實環境有關的、存儲在計算機中的信息，從而增強用戶對真實環境的感受，又被稱為疊加式或補充現實式虛擬現實系統。

混合現實系統。AR的成像理念與VR沉浸式的成像體驗打造出了一種以全息投影現實為主的混合虛擬現實技術，即混合現實技術（Mix reality，簡稱MR）。這種混合虛擬現實設備是將計算機生成的3D虛擬物體全息投射到現實空間中，使用者可以在現實空間中與3D虛擬動畫進行交互式操作，并觸發相應功能。這類MR設備的成像原理并不同于沉浸式的VR設備，它是將虛擬畫面投射到真實空間中，但所投射的是全息3D圖像，其成像效果突破了虛擬與現實世界的界限。

關鍵技術與前沿應用

實時三維圖形生成技術。三維圖形的生成技術已經較為成熟，其關鍵是如何實現“實時”生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15幀/秒，最好是高于30幀/秒。在不降低圖形的質量和復雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術的研究內容。

廣角(寬視野)的立體顯示。雙目立體視覺在立體顯示上起了很大作用,用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統采用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產生了立體感。

用戶的跟蹤。在人造環境中，每個物體相對于系統的坐標系都有一個位置與姿態，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭(眼)的方向來確定的。

觸覺與力覺反饋。在一個VR系統中，用戶可以看到一個虛擬的杯子。你可以設法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺。

語音識別技術。在VR系統中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環境能聽懂人的語言，并能與人實時交互。而讓計算機識別人的語音是相當困難的，因為語音信號和自然語言信號有其“多邊性”和復雜性。例如，連續語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，同一詞、同一字的發音受前后詞、字的影響，不僅不同人說同一詞會有所不同，就是同一人發音也會受到心理、生理和環境的影響而有所不同。使用人的自然語言作為計算機輸入目前有兩個問題，首先是效率問題，為便于計算機理解，輸入的語音可能會相當啰嗦。其次是正確性問題，計算機理解語音的方法是對比匹配，而沒有人的智能。

手勢識別技術。通過數據手套或者深度圖像傳感器來精確測量出手的位置和形狀，由此實現環境中的虛擬手對虛擬物體的操縱。數據手套通過手指上的彎曲、扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關節的位置和方向，而基于深度傳感器的手勢識別則通過深度傳感器獲得的深度圖像信息進行計算，進而獲得掌、手指等部分的彎曲角度等數據。

動態環境建模技術。虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容。動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。三維數據的獲取可以采用CAD技術（有規則的環境），而更多的環境則需要采用非接觸式的視覺建模技術，兩者的有機結合可以有效地提高數據獲取的效率。

應用系統開發工具。虛擬現實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發揮想象力和創造力。選擇適當的應用對象可以大幅度地提高生產效率、減輕勞動強度、提高產品開發質量。為了達到這一目的，必須研究虛擬現實的開發工具。例如，虛擬現實系統開發平臺、分布式虛擬現實技術等。

虛擬現實技術應用的現狀及展望

虛擬現實技術現在已經用于多個領域，包括醫學、娛樂、軍事航天、室內設計等，并為城市規劃、室內設計、工業仿真、古跡復原、橋梁道路設計、房地產銷售、旅游教學、水利電力、地質災害、教育培訓等眾多領域提供切實可行的解決方案。例如面向數字博物館，國內相關單位開發出的適合博物館演示和研究的虛擬博物館系統。同時本系統也可以作為面向城市規劃設計應用系統的支撐平臺。

虛擬現實系統具有三維聲像效果，能進行交互操作，可以提供有趣味性的教育環境，因而在教育領域，虛擬現實系統被投資者廣泛看好，并有許多企業已經涉足該產業。

隨著科技水平的不斷提高，虛擬現實技術具有廣闊的未來。也許以下的技術和應用在不遠的將來就會成為現實。

將圖像直接投射到使用者眼睛的視網膜，讓你的大腦認為它是真的。視網膜投射技術要將全世界變成一塊觸屏——同時又不需要屏幕存在。

虛擬旅行體驗能夠讓你在家中實現荒野生存的體驗，可以帶你到世界上任何無法深入的古跡，如完整的龐貝古城、神秘的金字塔內部等。

相信在未來，基于虛擬現實的藍光電影可以讓你在家里體驗《星際穿越》，或是置身于《侏羅紀公園》中，甚至是與《阿凡達》們一同作戰。

虛擬現實可以幫助普通人以較低成本實現星際體驗。利用不斷出現及發展的基于虛擬現實的太空體驗軟件，相信在未來坐在家中體驗太空的神秘也不是一件難事。

隸屬于美國能源部的一個實驗室近日通過虛擬現實技術來實現了模擬核反應堆實驗，科學家們通過佩戴虛擬現實顯示器、運行專用軟件，可以反復練習在緊急環境下的核試驗操作，從而提升實際操作時的成功幾率。

虛擬現實技術存在的問題及發展前景

眾多巨頭關注虛擬現實行業，然而已經面世的幾款產品采用的是頭戴式顯示設備，用戶體驗不好，而且內容也略顯單一，僅僅停留在游戲領域。沒有一部能夠完全追蹤人體動作的外設可以真正帶給參與者毫無障礙的沉浸式體驗；缺乏統一標準、兼容性障礙導致眾多第三方廠商止步于混亂的市場現狀；目前虛擬現實設備因為內容匱乏而無法吸引用戶；“廉價化”也極大阻礙了行業的發展。

相較于國外虛擬現實技術的發展，國內企業起步稍晚，但國內市場給予了國內企業巨大的發展潛力，借著我國“互聯網+”的春風，只要能專注于虛擬現實技術的研發，攻克技術難題，打造更多的虛擬現實設備，虛擬現實技術將在更廣的領域中大顯身手。

（作者單位：武漢第六中學）