淺析虛擬操作技術

劉人瑋

（株洲市第二中學，湖南株洲，412000）

0 引言

當代社會發展十分迅速，技術水平日新月異。這種現象的出現，也產生了很多高危職業，同時也加劇了地球資源消耗，因此發展虛擬現實技術刻不容緩。若想解決這一問題，首當其沖的就是發展當前的虛擬操作技術。虛擬操作技術是虛擬現實技術與運動學和動力學相互結合的一種應用技術[1]。

現如今，虛擬技術已經可以模擬出一個與現實世界物理原理基本一致的世界。但唯一的不足就在于虛擬操作技術的發展還過于滯后。從設備到現有的操作方式都還遠遠不能達到人們的要求，遠不能達到應有的沉浸感。

與現實世界的操作相較，虛擬操作應當具有良好的可操作性，以保證操作者可以高效，安全地完成操作，在此基礎上，還可以重復實驗，即可以修改環境參數以模擬不同的環境，應用于諸如航空航天等環境變化劇烈的情況；同時節約資源，真正做到完成實驗僅僅消耗現實世界中的可再生資源從而達到與現實世界實驗結果幾乎一致的目的。

因此，本文首先論述了虛擬操作技術的研究意義，同時對當今虛擬操作技術的研究和應用情況進行簡述，最后給出一種虛擬操作系統構建的方法。

1 虛擬操作技術的研究意義

虛擬操作技術的關鍵在于對現實各種環境的模擬，以達到不同環境下的行動的效果。所以行動的目的就是發展虛擬操作技術的最終目的。但是這個最終目的對于不同人來說都是不同的。而這個最終目的大致可分為三類：安全、節約和實現。

眾所周知，現實生活中的資源是有限的，尤其是地球上已經被人類開發了幾千年的資源，現在來看更是珍貴。因此便需要發展虛擬操作技術，只需人工將數據輸入計算機生成的世界，便可在現實世界的資源僅僅只是微量的消耗下，完成對實驗結果的探究。再者，人類的大多數活動都是會對人類以至于其他生物和自然界造成很大的影響的，小的可能只是造成神經系統產生痛的感覺，大的也可以造成生物的死亡甚至于滅絕。但是在虛擬操作技術的發展下，通過虛擬世界的模擬，現實世界中的這種事件完全可以避免。

并且，對于現實世界中暫時做不到的事情，也可以在虛擬世界中完成。對于影視觀眾和游戲玩家來說，虛擬操作技術的發展可以大大提高沉浸感，并以此提高滿足感。對科學研究而言，則可以通過虛擬操作技術完成當下技術所達不到的領域。比如探究黑洞、模擬在其他星球上的生活等等，可以廣泛地應用于物理學的各個領域。

2 虛擬操作技術的研究與應用現狀

由于虛擬操作具有上述優勢，所以現在很多國家，組織以及個人層面都在對虛擬操作技術進行研究。所涉及的領域有戰爭、醫療、航空航天、材料及產品設計和駕駛等的模擬。比如美國的NASA現在正在研制一款太空機器人，可被太空站內的使用者通過VR進行操控[2]，并將數據傳給站外的機器人，從而在站內就可以完成各種外部的維修或者其他任務。

目前，虛擬操作技術在醫療領域的應用是國際學界研究的重點課題，我國就有三十多所大學在對這一方向進行研究，比如由中科院計算所和北醫一同研究的數字人就屬于此類。在這里，可以通過建立一個空間中的三維坐標系，并通過數據的精準輸入，模擬出體內的環境及實際狀況，在不對任何活體進行實驗的情況下達到模擬的效果。并通過數據手套和視覺上的模擬，以提高沉浸感，最終達到與實際實驗或者實際手術相同的效果，以達到訓練和研究的目的。

同時，虛擬操作技術也可以在軍事、旅游和文化教育方面進行應用。在軍事上，可對戰事進行預測和決策模擬，以此估測作此決策會對戰事產生什么影響，以此來協助己方的戰時決策的制定；在旅游上，可對實地和當地土特產等進行介紹和預覽，以此推動當地旅游業的發展；在文化教育上，可以對很多的實物及其形成過程進行模擬，例如在虛擬環境下重現胡夫金字塔、故宮博物院以及索菲亞大教堂；在手機和PC等終端上還原中學課本上的物理、化學、生物等學課的實驗等。

此外，現在為大眾所廣泛了解的可能就是虛擬操作技術在游戲領域的應用了。目前已有多個國家和公司在對游戲等的虛擬操作進行研究。其中美國在硬件技術上處于絕對領先的地位，韓國、日本等國在軟件研發上也有著不俗的實力。

3 虛擬操作技術的實現

3.1 環境數據采集和設計

對于現實世界的任何一個所需要的事件的數據都可以將它分作三個維度，模擬的數據也是一樣，用采集到的三維數據通過計算機的模擬生成一個模擬的，與現實世界無異的三維世界。

3.2 實驗者數據采集

應做到即時，協調，精準。在絕大多數情況下，實驗者會通過肢體的各項活動來進行實驗，以此數據的變化也是十分迅速的。所以可以通過可穿戴設備對于實驗者的行為進行及時采集并且將數據實時上傳至計算機，以便計算機對下一步發展進行模擬。從另一個思路上來說，可以通過攝像頭等設備對反應數據進行采集，其他與前一個思路一致。第二個思路對技術要求更高，但是對于室內操作的操作者來說相對更安全，可以避免因為可穿戴設備屏蔽視線而導致的撞擊或踩空導致的受傷甚至死亡。而可穿戴設備可以通過許多的關節處的壓力感受位點綜合收集數據模擬出使用者的動作以及力度，并以此即時上傳，并將計算機的反饋數據及時傳輸到可穿戴設備。如果有可能，可以通過電信號傳輸進入人體的神經系統，產生感覺但是并不會產生實際傷害。并且根據需要模擬的不同環境，佩戴不同部位的可穿戴設備。用于醫療方面的大多數可以僅佩戴手部手套，用于體育訓練以及軍事需佩戴手部、肘部、膝蓋以及腳部等部位的可穿戴設備等。

3.3 沉浸感的提高

對于虛擬世界的真實度應該要高，否則兩個不同的環境很難達到訓練的目的。而提高沉浸感的要求又大致有以下幾點：提高圖像真實感；提高物理環境真實感；提高操作的即時性，協調性與真實感[3]。第三點已在前面設計過了。對于平面圖像，當下技術已可以做到很清晰與真實。但是對于模擬出一個三維的世界就很困難。如果是一個現實世界中存在的環境，可以在當前環境中選取一個原點，將四周的圖像記錄下來，并對每一個物體取一個水平面坐標。在此基礎上，將一個高度坐標輸入至每一個平面坐標中。而對于任意一個物體，可以先建立一個模型，將其大致形狀設計出來，再用游戲中的思路，用一種俗稱為“空氣墻”的設計填充進去，再對這個物體的行為進行設計，在滿足運動規律，物理規律的前提下，盡可能地設計出這個生物的習性，在這些完成之后，大致就形成了一個世界。而對于一個現實世界中不對應存在的環境，可以使用一個現實環境，而在物理規律和運動規律上模擬出那個世界。

而對于物理規律，可以將使用者視為一個“物體”，普通物體的質量通過數據直接輸入，使用者則通過腳部的可穿戴設備上的壓力感受位點得出的數據輸入。任何物體在進行運動時，時刻都要進行物理量的運算，并得出力，速度等，對于使用者則需要計算機將得出的物理量傳輸到可穿戴設備，并對使用者產生作用，以此提高真實感。

4 結論

本文簡述了虛擬操作技術的意義、研究與應用的現狀以及其實現的方式。虛擬操作技術是VR技術在實際工程領域的應用方向，在現今的大背景之下，一定會在不久的將來得到更為廣泛的應用。