虛擬現實系統及其關鍵技術的研究進展

車敏 拓明福 柳泉

摘 要：文中首先介紹了虛擬現實的含義，陳述了虛擬現實的特征、基本結構及虛擬現實的關鍵技術，分析了虛擬現實應用和發展所面臨的問題，對虛擬現實系統作全面解析。

關鍵詞：虛擬現實；沉浸感；虛擬環境；交互性

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-02

0 引 言

易凱資本創始人王冉說：“如果說未來五到十年有什么東西能夠像Uber顛覆全球出租車行業一樣顛覆全球娛樂產業，我認為就是VR（虛擬現實）[1]。”

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸等一體化特定范圍的虛擬環境（Virtual Environment，VE），用戶通過輸出設備以自然方式與虛擬環境中的對象進行交互作用，相互影響，從而產生身臨其境的感受和體驗。

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術產生于20世紀60年代，美國VPL公司拉尼爾（Joaron Lanier）于20世紀80年代提出了Virtual Reality一詞。直到20世紀末，這項綜合性信息技術才真正興起[2]。由于其超仿真效果明顯，VR技術被廣泛應用于產品展示、工業制造、醫療教學、軍事虛擬作戰、教育培訓等領域。

1 虛擬現實的主要特征

任何虛擬現實系統都可用3個“I”來描述其特征，即沉浸感（Immersion），交互性（Interaction）和想象力（Imagination）。

沉浸感指用戶在模擬環境中所感受到的真實程度。由計算機產生逼真的三維立體圖像，使用者通過頭盔顯示器、數據手套或數據衣等交互設備，可將自己置身于虛擬環境中。使用者與虛擬環境中各種對象的相互作用如同在現實世界一般。當使用者移動頭部時，虛擬環境中的圖像也會實時跟隨變化，物體可以隨著手勢移動而運動，使用者還可聽到三維仿真聲音。沉浸感是虛擬現實最終的實現目標，其他兩者是實現這一目標的基礎，三者之間是過程與結果的關系。

交互性指用戶對模擬環境內物體的可操作性和從環境得到反饋的自然程度。構想性指虛擬環境使人沉浸其中并獲取新知識，提高感性和理性認識，深化認知萌發新意。沉浸感與交互性是決定一個系統是否屬于虛擬現實系統的關鍵特征。虛擬現實技術的特性如圖1所示。

2 VR系統的基本結構

虛擬現實技術是融合計算機圖形學、智能接口技術、傳感器技術和網絡通信等的綜合性技術。虛擬現實系統應具備與用戶交互、實時反映交互結果的功能。一般虛擬現實系統主要由專業圖形處理計算機、應用軟件系統、輸入輸出設備和數據庫組成，如圖2所示。

專業圖形處理計算機在系統中處于核心地位，是虛擬現實的引擎，主要負責從輸入設備中讀取數據、訪問與任務相關的數據庫，對任務要求進行實時計算，從而更新虛擬世界的狀態，并且將結果反饋給輸出設備等。虛擬世界是一個相對復雜的場景，系統很難預測所有用戶的動作，也就很難在內存中存儲所有相應的狀態，因此，虛擬世界需要實時繪制和刪除，大大增加了計算機的運算量，因此，對計算機的配置要求比較高。

應用軟件系統是實現虛擬現實技術的關鍵，提供了工具包和場景圖，主要用于建立和管理虛擬世界中對象的幾何模型、物理模型、行為模型；三維立體聲的生成、三維場景的實時繪制；虛擬世界數據庫的建立和管理等。

數據庫用來存放整個虛擬世界中所有對象模型的相關信息。虛擬世界中的場景需實時繪制，大量虛擬對象需保存、調用和更新，因此要求數據庫對對象模型進行分類管理。

輸入設備可檢測用戶的輸入信號，通過傳感器輸入計算機。基于不同的功能和目的，輸入設備除了傳統的鼠標、鍵盤外，還包括用于手姿輸入的數據手套、獲取身體姿態的數據衣、語音交互麥克風等。

輸出設備是對輸入的反饋，由計算機生成的信息通過傳感器傳給輸出設備。輸出設備除屏幕外，還包括聲音反饋的立體聲耳機、力反饋的數據手套以及大屏幕立體現實系統。

3 VR的價值及應用

對于VR技術的價值評價，存在兩種聲音。有人認為虛擬現實所帶來的沉浸感以及人機交互性，相比傳統的人機界面體驗更美好，使人更易沉浸在虛擬環境中，導致使用者難以區分虛擬與現實，易成癮，形成心理問題。而有人認為虛擬現實技術具有成本低、安全性能高、形象逼真、可重復使用等特點，可為人類在某些領域的研究帶來全新的體驗，極大地影響著人們的生活、學習、工作。

在航空航天領域，采用VR技術可以最低成本模擬太空環境和太空艙，使航天員獲得身臨其境的感知。同時它還可通過軟件參數設置，人為模擬生成一些突發事件改變環境，以此來訓練航天員應對突發事件的能力。太空的失重感也可通過虛擬現實系統，借助一定的輔助設備使航天員完成體驗。該技術在軍事領域應用更為廣泛。VR技術可以清晰地模擬戰場的地形地貌，顯示精確的經緯坐標，對軍事指揮決策，如根據地形地貌合理分配作戰人員、火力布局設置，有較好的指導作用。同時還能模擬軍事訓練和演習。傳統軍事訓練演習成本高，安全性差，而采用VR技術可在實驗室完成作戰模擬。有助于高端設備的研制，如運20大飛機制作過程中就采用了VR技術。另在醫學培訓、教育、游戲產業方面，VR應用廣泛。

4 目前VR發展所面臨的問題[3]

盡管VR技術給人機交互帶來了全新的體驗。從上世紀80年代VR概念提出到現今VR技術的應用，這項技術并未真正走入我們的生活，而造成這樣局面的原因如下[4]：

（1）目前VR產品存在性價比不高、舒適度較差等問題。當前VR產品主要分為3種，即基于手機的VR，VR一體機和基于PC機的VR。基于手機的VR價格相對低廉，屬百元級，運算性能屬于中等嵌入式等級，佩戴較重，VR體驗一般。VR一體機價格屬于千元級，運算性能屬于中等嵌入式等級，佩戴沉重，VR體驗一般；基于PC機的VR價格較貴，要求高配置的PC，運算性能較高，佩戴較輕，VR體驗較好。由于技術和成本的限制，目前消費市場中尚未出現低價格、高性能的輕薄VR產品。