沉浸式虛擬現實的發展概況及發展趨勢①

劉崇進,吳應良,賀佐成,葉 雯,張云霏

1(廣州番禺職業技術學院,廣州 511483)

2(華南理工大學,廣州 510641)

虛擬現實的英文名稱是Virtual Reality,簡寫成VR.虛擬現實的概念來自于科幻小說,加拿大科幻小說作者Laurence Manning在1933年出版了一系列的短篇科幻小說,其中一篇科幻小說《醒來者》(The Man Who Awoke),提出了虛擬生活 (virtual life)的概念.1962年,Morton Heiling 設計發明了一臺“仿真模擬器”,該設備是人們從現實世界進入一個虛擬世界的首次嘗試[1].隨著計算機和虛擬現實技術的發展,虛擬現實越來越類似于現實的世界.

虛擬現實又分為非沉浸式虛擬現實(non-immersive VR)和沉浸式虛擬現實 (immersive VR)的技術[2].非沉浸式虛擬現實也稱為桌面式(窗口式)虛擬現實,是借助于計算機和其鼠標、鍵盤、話筒等外圍設備,通過三維制圖軟件在屏幕生成的窗口式虛擬環境,或者通過攝影技術獲得的實際圖像加上計算機處理生成的虛擬環境[3].沉浸式虛擬現實是利用圖形系統和各種控制接口設備,在計算機上生成可交互和具有沉浸感覺的現實世界的模擬仿真,也就是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界,給使用者在虛擬環境中提供關于視覺、聽覺、觸覺等感官的現實世界模擬.

沉浸式虛擬現實比非沉浸式虛擬現實更有吸引力,其沉浸特征要求用戶戴上VR頭盔(也叫頭戴顯示設備或頭顯設備“Head-Mounted Display,HMD”),幾乎與現實世界隔絕,才能進入洞穴狀自動虛擬環境 (the Cave Automatic Virtual Environments,CAVE)[2],用戶在這個虛擬環境中,感受到三維空間的大小、周圍材料的質感和聲音的回響,能以比較自然的方式與虛擬對象(物體)實時交互,仿佛沉浸在真實的環境中.沉浸式虛擬現實技術被稱為沉浸式多媒體,也被譽為終極的多媒體[4].現在所講的虛擬現實,一般是指沉浸式虛擬現實.近年來,沉浸式虛擬現實技術在工業仿真、房地產銷售、旅游推廣、軍事訓練和教育培訓等領域得了廣泛的應用.

1 虛擬現實的發展概況

虛擬現實的概念最早是在科幻小說中出現,隨著計算機的發展,虛擬現實技術獲得了很大發展,實用的虛擬現實設備也生產出來了.虛擬現實技術發展到現在,經歷了四個發展階段:虛擬現實概念的形成,虛擬現實商業化的推廣嘗試,虛擬現實商業化的成功推廣,虛擬現實相關市場的高速增長.

1.1 虛擬現實發展的第一階段 (1933-1990):虛擬現實概念的形成

1933年,Laurence Manning 在一短篇小說首次提出了虛擬生活 (virtual life)的概念.1935年,Stanley G.Weinbaum在出版的短篇故事《皮格馬利翁的眼鏡》(Pygmalion’s Spectacles)里,描述了“基于虛擬現實系統的眼鏡”,該眼鏡能夠保存記錄氣味和觸摸等虛構生活經驗的全部信息[1],提出了虛擬生活和虛擬環境等的概念.1946年,電子管計算機被發明出來,并獲得了越來越廣泛的應用;1956年,全息照相技術被發明出來,光照射在物體上,散射后通過特定裝置記錄該物體的全部信息,在重構該物體的圖像時,能顯示該物體的立體圖像,就像聲帶記錄人的聲波一樣[5],這些技術為虛擬現實的實現提供了基本的條件.

Morton Heiling 是美國的攝影師,被認為是虛擬現實的先驅,在 1957年設計了“仿真模擬器”,起名為“Sensorama”,在 1962年申請了專利.圖1是“Sensorama”仿真模擬器的圖片,該設備體型巨大,采用了3D顯示和立體聲的技術,通過三面顯示屏為用戶展現空間感.該設備還包含氣味發生器和一個配合影片振動的座椅.用戶坐在椅子上,將頭部探進設備內部觀看影片時,能看到立體圖像,可體驗到影片出現振動和某些氣味情節的感覺.該設備是人們從現實世界進入一個虛擬世界的首次嘗試,走在了科技的前沿,驚震了世界[1].該設備體積巨大,造價昂貴,圖像逼真度和沉浸性差,也沒有交流互動的特性,相應的電影影片又少,這個轟動一時的嘗試失敗了.

Ivan E.Sutherland 是圖靈獎獲得者,是公認的計算機圖形學之父和虛擬現實(VR)之父.1965年,Sutherland在《終極的顯示》(The Ultimate Display)論文中寫到“計算機屏幕是一個窗口,通過這個窗口,人們可以看到虛擬世界”[1],首次提出了“人機交互”的虛擬現實思想,該思想被稱為“VR 技術史上的里程碑”.Sutherland從1965年開始擔任哈佛大學電子工程系的副教授,并為“終極的顯示”的思想變為現實而努力工作,1968年終于在麻省理工學院的林肯實驗室發明了世界上第一臺原型頭顯設備,起名為“The Sword of Damocles”(達摩克利斯之劍),如圖2所示.該頭顯設備設計復雜,重量很大,需要機械臂吊住才可使用,其中包括一個手槍形狀的控制棒,該控制棒能與虛擬環境互動.該頭顯設備具備了交互性,這是歷史性的突破.這個頭顯設備具有計算機生成模型和圖像、立體顯示、頭部位置追蹤以及與虛擬環境互動的功能,是世界上第一個VR原型設備.由于當時科學技術的局限性,該頭顯設備體積沉重龐大,操作復雜,圖像逼真度不令人滿意,其沉浸性比較差,沒有展現出應有的價值,靜靜地塵封在實驗室里.

20世紀70年代,NASA(美國航天航空局)在VR領域開展了研究和嘗試,經過一段時間的研究,起名為“VIVED VR”的VR頭顯設備在航天領域中投入使用.“VIVED VR”頭顯設備與現在的 VR 頭盔非常相似,主要通過虛擬環境來訓練宇航員的臨場感,使得宇航員更好地適應太空作業.到了20世紀80年代,計算機技術獲得了很大的發展和普及,越來越多的人投入到VR 技術的研究之中.1984年,Jaron Lanier在美國創辦了VPL Research公司,1989年推出了面向市場的第一臺VR頭盔—EyePhone頭盔和數據手套,如圖3所示,這是現代意義的沉浸式虛擬現實的VR套件.用EyePhone VR 套件漫游,體驗虛擬環境,能感覺出沉浸性、構想性和交互性.沉浸性和構想性讓人更加具有吸引力,但受到當時計算機技術和傳感器技術等科學技術的限制,該VR套件昂貴(大約10萬美元),而且圖像的逼真性難于令人滿意,圖像的顯示與交互的動作滯后,容易使人疲倦和頭暈,該VR套件銷售不佳,沒有普及,VPL Research公司在1990年也破產了.

圖2 “The Sword of Damocles”原型頭顯設備

圖3 EyePhone VR 頭盔和數據手套

Jaron Lanier在研發 EyePhone VR 套件的過程中,發展了沉浸式虛擬現實技術,他在1989年介紹自己公司的產品時最早使用“Virtual Reality—VR”一詞.在1990年,以麻省理工學院為中心,世界上對虛擬現實感興趣的人和研究者聚集在一起,召開了圣巴巴拉會議,把不同稱謂的沉浸式虛擬現實統稱為“Virtual Reality—VR”[4],下面把“沉浸式虛擬現實”簡稱為“虛擬現實”.“Virtual Reality”(虛擬現實)得到業界的廣泛采用,成為這一學科的專用名稱.Jaron Lanier也被稱為“虛擬現實之父”[6],實為“沉浸式虛擬現實之父”,在 2010年被美國“時代”雜志評為100個最有影響的人物之一.

1.2 虛擬現實發展的第二階段 (1990-2011):虛擬現實商業化的推廣嘗試

隨著光學工程技術、傳感器技術、計算機技術和網絡技術等的發展,虛擬現實獲得了很大的發展,也定義了清晰的沉浸式虛擬現實的概念.1993年,G.Burdea和Coiffet Philip在本年度的世界電子年會上發表了論文“Virtual Reality System and Application”(虛擬現實系統和應用),指出沉浸式虛擬現實具有沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination),即3I特性[7],是沉浸式VR的標志特性.虛擬現實的沉浸性是指用戶戴上VR頭盔(頭顯設備),置身于虛擬環境中,就像在真實的客觀世界中一樣,能給人一種身臨其境的感覺,有的稱為臨場感.虛擬現實的交互性是指用戶能以比較自然的方式在虛擬空間里與虛擬對象互動交流,實現相應的動作和功能.虛擬現實的想象性是指人們在虛擬環境中對現實世界中的環境發揮想象,并進行創造性的模擬,能拓展人類的認知范圍和可想像的空間.從20世紀90年代到21世紀初,一些公司開發了VR套件,在游戲業的應用越來越多.

1995年7 月,日本的任天堂公司(Nintendo)推出了一套虛擬現實的家用游戲機,如圖4所示,這是對外發布的第一套32位游戲機.Virtual Boy游戲機采用了一塊32位處理器,同時集成了高性能的顯示器,該顯示器由兩塊模仿人眼視角的屏幕構成,可以有效地將2D游戲畫面形成一定的3D效果.Virtual Boy推出時,確實受到了一些游戲愛好者的認同,但由于顯示器的畫面單調、體驗后惡心頭暈等問題,沒有得到多數人的認同,在日本市場只維持了5個月,在美國市場堅持不到一年就結束了.Virtual Boy商業化失敗的主要原因是:3D圖像顯示不佳、價格仰貴、游戲內容很少以及游戲體驗不好[1].

2000年,美國SEOS公司發布了虛擬現實產品SEOS HDM 120/40,這是沉浸式頭顯設備,視場角能達到120度,重量為1.13千克,該產品被用在美國軍方戰斗飛行員的訓練器材中.SEOS公司還為美國飛行訓練器材設計了一些VR作品,為飛行員配合頭顯設備進行訓練.但該頭顯設備因同樣的問題,以及售價和專業要求太高而無法實現商業化[7].

在這一時期,光學工程技術、傳感器技術、計算機技術,計算機圖形學和圖像識別技術等尚處于高速發展的早期,虛擬現實的產業鏈還不完備,再加上虛擬現實設備成像質量不高等缺陷,除了少數游戲愛好者使用這些VR頭顯設備外,虛擬現實的推廣和商業化嘗試沒有得到普通消費者的積極響應.但是,一些企業和研究機構一直在發展虛擬現實的技術,包含非沉浸式和沉浸式虛擬現實技術,改進虛擬現實設備,并不停地進行虛擬現實商業化的推廣嘗試.

圖4 Virtual Boy 產品

1.3 虛擬現實發展的第三階段 (2012-2016):虛擬現實商業化的成功推廣

隨著科學技術的發展,虛擬現實技術在不斷完善,VR裝置的價格下降了很多,VR也獲得了很大的發展和推廣.美國的Oculus VR公司在2012年6月展示了虛擬現實的VR套件,如圖5所示,該套件是Oculus Rift原型機,是針對電子游戲而設計的頭顯設備.

圖5 Oculus Rift原型機的圖片

Oculus Rift原型機具有比較廣的視場角、圖像延遲比較低,其沉浸感比較強,體驗感比較滿意,基本上消除了惡心頭暈的感覺,其價格也比較合理,受到了一些科技工作者和企業家的高度關注和支持.在2012年8月登陸到眾籌網站Kickstarter,一個月內募集到近250萬美元,一些風投公司也給予了巨大支持[8].

2014年3 月,Facebook創始人扎克伯格體驗過Oculus Rift 后,堅定地認為其代表下一代的計算機平臺,用 20 億美元收購了 Oculus Rift VR 公司,該收購案例成為了VR相關市場高速發展的導火線[8].2015年11 月,韓國三星公司與 Oculus Rift VR 公司合作,推出了基于智能手機虛擬現實的頭顯設備Gear VR,三星智能手機插入該頭顯設備,感知設備自動彈出Oculus菜單,就可以體驗虛擬現實的作品或者觀看3D電影,盡管沉浸感和圖像清晰度不令人滿意,但開始了移動虛擬現實的先例.

臺灣公司HTC和美國公司Valve游戲公司合作,在2015年2月,推出了 HTC Vive VR 套裝,如圖6所示,A是 VR頭盔,B 是紅外激光定位燈塔,C 是手柄控制器.HTC Vive VR 套裝與 Oculus Rift的相比,主要不同之處就是在設定區域具有用戶的位置和姿態的空間定位能力,這是通過紅外激光定位燈塔、手柄控制器與VR頭盔聯合工作而實現的.HTC Vive VR套裝瀏覽虛擬作品更真實,其交互性更好,而且操作簡單,該VR套裝在我國的應用比較多.根據我們的體驗,如圖7所示,HTC Vive VR 基本上克服了圖像顯示與交互動作滯后的缺陷,沒有發生惡心頭暈的現象,即沒有暈動癥,沉浸感和3D圖像清晰度也基本上滿意.

圖6 HTC Vive VR 套裝

2016年3 月,著名的日本索尼公司(SORY)宣布推出 PlayStation VR 套件,同年 10 月份,以比較低廉的價格開始銷售.PlayStation VR 與 HTC Vive 和 Oculus Rift VR 套件相比,硬件上沒有優勢,比如,屏幕分辨率沒有它們的高,但其價格比它們便宜.PlayStation VR不是最好的虛擬現實設備,卻把虛擬現實帶入了日常消費者的生活中[8].

HTC Vive、Oculus Rift和 PlayStation VR 是全球最大的、質量一流的虛擬現實產品,這些產品與網絡技術相結合,形成分布式虛擬現實系統(DVR:Distributed Virtual Reality).分布式虛擬現實系統是基于網絡的虛擬環境,位于不同物理位置的多個用戶將各自獨立的虛擬現實系統通過網絡相連接,或者多個用戶同時加入一個虛擬現實環境,通過計算機與其他用戶進行交互,共享信息和資源,或者協作完成任務.

圖7 作者體驗圖

谷歌公司(Google)在2014年5月推出了廉價的紙板式頭顯設備(Cardboard),屬于簡易的移動頭顯設備,智能手機插入該頭顯,就可以觀看 3D電影等.盡管Cardboard的3D圖像和沉浸感不令人滿意,但該頭顯設備由于價廉,是大眾化的產品,到 2016年1月,賣出了500萬部Cardboard.谷歌公司一方面不斷改進Cardboard,另一方面努力開發VR新產品,并在2016年1月正式成立了一個專門的VR部門,谷歌公司管理副總裁管理,這顯示了谷歌公司對VR的重視.

Oculus Rift VR 公司宣布在2016年1月開始預訂日常消費者的版本,HTC Vive 和 PlayStation 在 2016年上半年也宣布預訂日常消費者的版本,并取得了可喜的成績,虛擬現實商業化的推廣獲得了成功.在2016年十大科技趨勢的調查中,虛擬現實位居榜首,故2016年被業界普遍認為是“虛擬現實元年”(VR元年)[1].

1.4 虛擬現實發展的第四階段 (2016-現在):虛擬現實相關市場的高速增長

到2016年,沉浸式虛擬現實在世界上獲得了普遍重視,國外和國內的很多著名公司都投資了VR行業[4].除了虛擬現實頭顯設備公司外,計算芯片和顯示芯片公司、內容制作公司和應用系統開發軟件公司等都對虛擬現實產生了極大的興趣,并積極投資.一些公司還推出了全景相機和全景攝影機,讓全景的拍攝更容易.圍繞虛擬現實,一條產業鏈正在被建立起來,全球與虛擬現實有關的公司被涌現出來了,而我國到2017年底也出現了多家與虛擬現實有關的公司.

沉浸式VR專家在開發作品時能充分發揮自己的想象力和創造力,利用計算機圖形學和全景照相等技術,集成各種資源,開發出夢幻般的作品.用戶在虛擬空間能夠以比較自然的方式與虛擬物體實時交互,也可以發揮自己的想象力,根據自己的思路探索整個虛擬環境,選擇自己想體驗的內容;另一方面,用戶在虛擬空間猶如在現實世界一樣,觀看VR作品的時間又不受限制,可以隨時播放或暫停,切換到其他的VR作品,可從不同角度長時間瀏覽虛擬作品,以便滿足自己的好奇心里和求知欲望,虛擬現實已經在游戲娛樂和教育培訓中獲得了廣泛的應用.因此,虛擬現實被譽為終極的多媒體,是下一代計算機平臺[8,9].

虛擬現實在各行各業的應用實踐被廣泛地展開,體驗內容和應用場景在不斷豐富.不少大學和科研單位參與到虛擬現實作品的開發和應用,或者利用虛擬現實技術進行線上或線下的輔助教學;一些醫院利用虛擬現實技術對特定病人,如陰郁病等精神方面的患者,進行康復治療等應用[10].現在,虛擬現實技術在城市規劃、室內設計、工業仿真、古跡復原、橋梁道路設計、房地產銷售、旅游推廣、航空航天、軍事訓練和教育培訓等眾多領域得了廣泛的應用[1,8,9].虛擬現實的生態鏈正在被建立,虛擬現實的相關市場正在高速增長.

2 虛擬現實的主要優缺點

虛擬現實模擬的虛擬空間猶如身臨其境,逼真的視覺和聽覺感受讓使用者不自覺地認為自己進入到真實世界;虛擬現實可利用計算機圖像建模技術、全景拍攝技術和相關軟件等能整合豐富的VR資源,或創建豐富的VR作品,具有眾多的優點.虛擬現實技術目前依然處于走向成熟的階段,還在發展一些關鍵技術,而且使用者需要戴上頭盔,透過目鏡才能在虛擬空間漫游、瀏覽虛擬物體和作品,幾乎與真實的外界隔絕,無疑存在一些缺點.

2.1 虛擬現實的主要優點

沉浸式虛擬現實(VR)的主要硬件是頭顯設備,或者說頭盔.頭盔里主要有顯示3D圖像的顯示屏、產生立體感的光學器件、形成沉浸感的目鏡以及產生交互作用的傳感器和相應的器件.目鏡的主要作用是放大視場角和放遠視場,用戶透過目鏡后的屏幕成像才能沉浸在虛擬現實的環境中,漫游體驗時才能形成身臨其境的感覺(臨場感或沉浸性).現在,用戶戴上由人體工學設計的高質量頭盔,感覺還算舒服[4];進入虛擬空間后,還能以比較自然的方式與虛擬對象實時交互,完成相應的動作或功能,仿佛沉浸在真實世界的環境中,具有強烈的吸引力.

VR的一大優勢就是利用計算機圖像建模技術,能夠創造夢幻般的VR作品,能打破時間和空間的局限性,構建真實世界中是幾乎不能完成的、或者在現實生活中沒有的、或者成本較高的和難以構建的現實場景.例如,VR 游戲《無界術士》,玩家將命運掌握在自己手中,變成一名強大的無界術士,在這個魔幻世界中盡情施展魔法,摧毀敵人！又例如,VR科幻電影《ABE VR》,是2016年6月推出的全球首部限制級虛擬現實的電影,限制15歲以上的群體觀看,在這個故事中,觀眾跟隨一個機器人去尋找人類無條件的愛,最后卻走向了可怕和扭曲的機器人血腥屠殺的場面.

VR的另一大優勢就是利用全景拍攝技術拍攝真實的場景,再利用計算機圖像建模技術、和虛擬現實系統開發軟件 (如 Unity 3D 和 Unreal Engine 等)協同工作,創建內容豐富的VR作品,或開發各行各業逼真的模擬仿真軟件.例如,VR 應用于醫學領域,在動物實驗和尸體解剖等進行虛擬現實的教學培訓時,其逼真的情境就和真實世界的動物實驗和尸體解剖的一樣,使用戶在系統中獲得近似于真實實驗的操作體會,該技術的使用可以節約大量的試驗設備,樣本如試驗動物、組織等,一次性投入使用,重復利用率高,學生和老師等用戶都可以進行操作、測試、分析以及研究,這鐘VR模擬仿真軟件同樣能提高用戶的動手能力[11].

VR在教育培訓中具有不少優點,虛擬現實的教學能使學習者在內容豐富的虛擬學習環境中磨合(hone)自己的知識、創造力和分析問題講解問題的技能,能充分發揮自己的特長,自主地學習訓練,而且還能自由地一遍又一遍地重復學習訓練,為教育培訓提供了處理現實世界問題的比較好的解決方案[12].虛擬現實的教學使學生在個性化的學習過程中,激發強烈的學習積極性和主動性,對學業精益求精,能發展分析問題和解決問題的能力,有效地培養學生的工匠精神[13].VR采用傳感手套等比較自然的交互方式,學習者幾乎全身心地漫游在教育培訓的虛擬空間中,能調動受教育者全部感覺器官,逼真的視覺和聽覺感受使體驗者不自覺地認為自己進入到真實世界,這種教學模式是一種體驗式的教學,由體驗得來的知識并非老師們的經驗傳授,而是學習者自身感知得來的,這種體驗式的學習更容易形成長時間的記憶[14].

VR在宣傳推廣中的應用具有現代媒體無法比擬的優點,采用全景照相攝影等VR技術制作宣傳推廣的作品:商業銷售推廣、校園虛擬仿真、報道重大事件、戰地新聞、體育新聞、奧運會比賽、博物館和旅游等虛擬體驗,觀眾好像在現場“ 親眼目睹”.例如,日本東京一家百貨公司的廚房用品出售部設計了一個簡易的虛擬現實系統,售貨員向該系統輸入顧客住宅里的廚房尺寸,顧客戴上VR頭顯和數據手套后,就會發現自己置身于一間和自家廚房一樣大小的房間里,櫥柜門可以打開,水龍頭可以出水,這個虛擬環境中的炊具和擺設也可以隨意移動,每一件東西可按照自己的意思擺設,顧客完成了炊具和擺設的選擇后,售貨員就命令系統記錄這些選擇,然后由百貨公司將這些記錄的東西運過去,并根據顧客的設計,負責裝修一個新廚房[15].虛擬現實技術在這個商業銷售推廣的應用中,用戶能對展示商品的全面理解,吸引客戶的興趣,增強用戶購買相應產品和服務的欲望.

VR在工業產品設計和開發工程中已經顯示了優點,能獲得與真實工件相同的模擬仿真的效果,使抽象的概念具體化,可提高生產效率和降低成本,與傳統的設計和開發相比,能節省大量的人力和物力,增強本企業的競爭力[9].例如,波音公司設計777號運輸機的時候,主要運用了虛擬現實的傳感技術和圖形處理技術,把設計模板投射在真實的工作臺上,簡化零件和飛機的建造過程.波音公司通過虛擬現實的設計和開發,與傳統的設計和開發相比,節省了大量的人力和物力,增強了本企業的競爭力.

VR在通訊社交中的應用也已經顯示了優點,如具有逼真的立體感,可將遠距離的社交變成一種面對面的溝通[8].該技術在通訊社交中的應用是指分布式虛擬現實系統(DVR)的應用,不同地理位置的多個用戶通過網絡相連接,在虛擬環境中交流互動,或者共享信息和資源,協作完成任務,例如,VR 已經應用于遠程教育場景中,在線學習者和在線教師交流互動,有利于營造逼真的學習氛圍,促進學習者進步[1].移動VR(如Google Cardboard 和三星 Gear VR)盡管成像質量不佳,但具有任何時候和任何地方(anytime,anywhere)體驗3D的優點,現在依然有不少的用戶.

利用VR技術開發的虛擬仿真軟件特別適合那些具有較強的災害性和危險性的,或者解決資源緊缺的,或者在現實生活難以構建的場景,如醫療、災害危險場景、歷史場景、跨國場景、特殊教育、航空航天、軍事演習、宇宙與海洋等場景,能節省大量資金、人力和物力.例如,Michael J.Amirian 等研究了一組學生參加虛擬仿真的外科縫合技術的培訓,并與真實實驗培訓的另一組相比較,結果發現這兩組學生掌握的技術沒有多少不同,證實了虛擬現實的仿真培訓的有效性[16],而且節省資源資金.

虛擬現實設備與具有一定功能設備的配合使用,或者通過網絡配合使用,在航天航空、軍事、應急等培訓方面具有廣闊的應用,并能大大地降低成本.例如,美國在高速專用網上開展了對于軍事綜合訓練場的研究,創建了一個覆蓋了500×750公里的大范圍,能夠讓海陸空三大兵種的3700個仿真實體共同參與到虛擬的演練環境之中,三大兵種在一起進行了非常逼真的協同作戰演練,完成戰斗任務.

2.2 虛擬現實的主要缺點

虛擬現實技術(VR)對硬件設備的要求比較高,在體驗過程中,設備的好壞直接關系到沉浸式體驗的效果.目前沉浸式VR還處于不成熟的階段,一些關鍵技術正在研究、改進和完善,比如高清晰的全景三維顯示技術和比較自然的交互方式等,相關的硬件設備存在使用不方便、效果不理想的情況,難以達到虛擬現實系統所需的要求,影響了用戶體驗的興趣;虛擬現實的設備(運行速度快、圖像質量顯示高的計算機和VR套件)的價格依然比較貴,需要大量資金支持.

用戶體驗VR作品時,需要戴上頭盔,幾乎與真實的外界隔絕,透過目鏡才能在虛擬空間漫游體驗、瀏覽虛擬物體和作品,使用者在這種環境中漫游體驗,眼睛容易疲勞,時間久了感覺暈眩和頭痛等負面影響,主要原因是屏幕成像與用戶交互作用的滯后、通過目鏡觀看3D圖像與真實圖像的差距、以及戴上頭盔的不舒適度等引起的.在虛擬環境漫游體驗久了,還可能分不清真實世界和虛擬世界的物體;如果是兒童戴上VR頭盔,還有可能傷害他們的視覺系統,故美國Oculus Rift和韓國三星Gear VR 建議13歲以上的少年使用,而 PlayStation VR 和 HTC Vive 等廠家禁止 12 歲以下的兒童使用[7].用戶體驗VR作品時的必備條件是要戴上VR頭盔,產生這些缺陷是難于避免的,但這些VR缺陷可以通過立法限制或縮短漫游體驗的時間來克服.

目前相關的VR軟件比較多,這些軟件的語言專業性比較強,通用性和易用性比較差,相關模型構建工作比較復雜,普遍存在建模工作量大,系統平臺的應用軟件的開發需要大量的精力和花費,開發成本昂貴;VR專業人員還比較少,VR作品和VR仿真的應用軟件還比較少,VR資源比較少;VR應用軟件和作品所能實現的范圍受到限制,不同產商生產的VR產品的標準還不一樣,開發出來的VR應用軟件和VR作品還不能通用.

目前,VR在教育培訓的應用層面還存在缺點.一些教師特別是年齡比較大的教師的教學方式難于改變,樂于采用傳統的教學方式,他們如果應用VR新型教學模式,感覺不舒適,這種新型教學模式難以起到積極的作用.實踐表明,任何對VR具有負面看法的人,戴上了高質量的VR頭顯設備(目前指HTC Vive、 Oculus Rift和 PlayStaion VR(PS VR))進行體驗后,每個人都發生了改變,成為了VR的積極支持者[4],這些教師通過體驗,或者需要通過一定時間的培訓,無疑會適應這種新型的虛擬現實教學工具.

3 虛擬現實的發展趨勢

虛擬現實技術經過近幾年的快速發展,各方面性能逐步完善,應用前景十分廣闊,但遠沒有大眾化.在未來,虛擬現實技術的設備及服務需要進一步發展完善,能營造智能化和實用型虛擬現實的應用環境,減少技術使用層面的困難,開發更多的內容豐富的VR作品或虛擬仿真應用軟件,使虛擬現實技術獲得更加普遍的推廣和應用.

3.1 虛擬現實硬件的發展趨勢

虛擬現實的硬件除了計算機外,主要硬件是頭盔.頭盔由顯示屏、光學器件、目鏡以及傳感器和相應的器件組成.顯示屏用來顯示3D圖像,光學器件用來產生立體感,目鏡用來形成沉浸感,傳感器和相關的器件用來產生交互作用.目前,虛擬現實技術還不完善,首先是沉浸式的三維圖像顯示的質量不高,還不能達到以假亂真的程度,其次是虛擬現實的交換方式還不能令人滿意,還沒有以比較自然的方式與虛擬對象進行交互.在一段比較長的時間內,VR公司需要研發和提供高質量的VR頭顯設備.

3.1.1 進一步提高虛擬現實中三維圖像的顯示質量

沉浸式虛擬現實中三維圖像的顯示質量除了與計算機的顯卡等有關外,主要與頭盔中顯示屏(液晶板)有關.現在,高質量的計算機顯卡已經符合要求.今后,提高三維圖像的顯示質量,就是制造高質量的液晶板,盡可能地提高其分辨率和刷新率.令人欣慰的是,一些液晶板廠家正在研發新型液晶板,以便顯示高質量的三維圖像,例如,韓國的三星公司正在加大力度,做這方面的工作[4].

3.1.2 在虛擬現實中盡可能地以比較自然的方式進行交互

目前,虛擬現實的交互方式采用眼睛轉動跟蹤識別、動作識別和語音識別等人工智能(AI)技術,實現與虛擬對象互動,這使鼠標和鍵盤的交互方式或觸摸的交互方式變為多余[5].這種交互方式被稱為人機交互的新革命[7],也被稱為人機交互史上的第三次革命,第一次為鍵盤和鼠標與計算機的人機交互方式,第二次為觸摸的人機交互方式.為了在虛擬空間的交互感受與在現實世界的類似,必需具備簡單實用的多感知交互手段,而目前的交互手段還達不到這個要求.因此,VR公司還需要研發包含傳感技術和人工智能的多感知設備,該感知設備能在虛擬環境以比較自然的方式和虛擬對象進行交互作用,同樣令人欣慰的是,一些VR公司在開發這種高技術的感知設備,例如,日本的SORY 正在研發這種設備[4].不久的將來,交互方式更加自然的感知設備會研發出來.

3.1.3 虛擬現實頭盔進一步輕巧化和舒適化

虛擬現實技術必需使用目鏡放大視角和放遠視場,用戶透過目鏡后的屏幕成像才能沉浸在虛擬現實的環境中.現在,用戶在虛擬空間漫游體驗的時間久了,眼睛依然容易疲勞,感覺暈眩和頭痛等負面影響.但是,隨著科學技術的發展,未來采用高質量的屏幕,成像質量更高和顯像時間更快;再采用新型光學材料制成的目鏡,能進一步減小體積和重量.根據人體工學設計的頭盔將會進一步輕巧,更加舒適,暈眩和頭痛的負面影響將會進一步減少.

3.2 虛擬現實應用的發展趨勢

虛擬現實的應用從應用的方式看,包含四個方面:虛擬現實(包括VR套件、計算機和相應的軟件等)的直接應用,虛擬現實在網絡中的應用,虛擬現實和特定功能設備的配合應用,在網絡中虛擬現實和特定功能設備的配合應用.

3.2.1 虛擬現實的直接應用

虛擬現實的直接應用是指計算機運行虛擬仿真軟件或VR作品,用戶戴上頭盔,在虛擬環境漫游,或完成相應的任務,例如,前面所述的虛擬現實在教育培訓中的應用,以及觀看VR電影、商業銷售推廣、校園虛擬仿真、報道新聞等方面的應用.

人工智能(AI)已經在虛擬現實的作品中得到了應用,例如,日本開發的“夏日課堂”VR 作品,用戶在學習時與作品中女孩的人性化的互動,就應用的人工智能[4].今后,虛擬現實產品將會應用更多的人工智能技術.人工智能應用于虛擬仿真軟件,使仿真軟件更加客觀實際;人工智能應用于VR作品,使VR作品更加理性動人.

虛擬現實在教育培訓中會獲得更加普遍的應用.它與教育教學的深度融合將進一步推進教育教學的改革和發展,對于提高教育技術水平、改善教學環境、豐富教學資源具有重要作用.虛擬現實應用于教育培訓領域,能優化教學過程,培養學生的個性化特征,使學生成為具有職業精神的創新型人才.例如,廣州番禺職業學院在VR實訓室的教學模式和方法的教學改革和實踐中指出,VR教育培訓平臺適合于個性化教學模式,學生在個性化的學習過程中激發了強烈的學習積極性和主動性,對學業精益求精,發展了分析問題和解決問題的能力,有效地發展了自己的工匠精神[13].

近期內,開發VR作品或虛擬仿真的系統軟件的界面會變得更友好,功能變得更強大,這些系統軟件能充分利用各種VR資源,比較容易地開發出滿意的VR仿真軟件或VR作品,能減少開發者的時間和精力,開發VR產品的成本會降下來.現在,一些公司正在做這方面的工作,例如,Unity 3D 和 Unreal Engine 等開始是用來開發游戲的,隨著版本的不斷升級,界面越來越友好,功能不斷增多,現在與其他開發3D的系統軟件相結合,使開發VR仿真應用軟件或VR作品更加容易,開發的內容更加豐富.因此,各相關方面的虛擬仿真應用軟件和VR作品會越來越多,VR資源會更加豐富,能逐漸滿足相關行業的需求.

3.2.2 虛擬現實在網絡中的應用

虛擬現實在網絡中的應用包括在有線網絡和無線網絡中的應用,如前所述的分布式虛擬現實系統(DVR)的遠程教育場景中,在線學習者和在線教師交流互動,有利于營造逼真的學習氛圍,促進學習者進步等[1].

隨著現代信息科技的發展,分布式虛擬現實系統具有十分廣闊的應用空間和發展前景.世界著名網站Facebook在2014年以20億美元收購Oculus VR公司,虛擬現實在通訊社交的應用幾乎成為了未來通訊社交的新形式[9].隨著分布式虛擬現實系統應用水平的提升,并利用網絡的社交特性,共享信息和資源,經濟效益會越來越明顯,未來DVR將會發揮出自身的優勢,逐漸普及和大眾化.

現在,移動VR沒有獲得普遍推廣,其主要原因是在目前帶寬有限的無線網絡中,無線圖像信號在生產、傳送和接受的過程中產生了比較大的延遲[17],影響了3D圖像質量.但移動VR具有任何時候和任何地方體驗3D的優點,隨著網絡技術的升級和大數據技術的發展,或者說無線網絡在近期內升級到5G射頻無線網絡 ( 5G Radio Network),傳送的圖像數據會更快,其 3D圖像和沉浸性會越來越好,未來將會得到普遍的應用.

3.2.3 虛擬現實與特定功能設備的配合應用

虛擬現實技術與其他特定功能設備結合起來,已在不同領域獲得了應用,如應用于如醫療、災害危險場景、歷史場景、跨國場景、特殊教育、航空航天、軍事和應急演習、宇宙與海洋等場景,節省大量資金、人力和物力.

雖然虛擬現實已有不少與其他特定功能設備的配合應用,但遠沒有達到大眾化的程度.今后,需要研發更多的特定功能設備、以及開發更多相應內容的作品或虛擬仿真軟件.美國 FRN 新聞 (Fort Russ News)在2018年7月10日說,著名防務公司Northrop Grumman正式宣布了與美國軍部簽訂了1億2千8百萬美元($128 million)的培訓合同,其中包括虛擬現實的戰事模擬仿真培訓、其他培訓和相應的技術支持[18].該新聞說明該公司未來要開發與VR結合的新型特定功能培訓設備外,也意味著虛擬現實對國防具有重要的意義.

3.2.4 在網絡中虛擬現實和特定功能設備的配合應用

虛擬現實與特定功能設備在網絡中的配合應用是指多用戶戴上VR頭盔,操縱特定功能的設備,通過網絡互動,完成特定的功能或任務.如前所述,美國在高速專用網上開展的軍事綜合訓練場的演練等.

圖8是法國第八海軍陸戰隊新兵的未來沉浸式虛擬現實的培訓場景 (the Future Immersive Training Environment (FITE)),從圖片可以看出,新兵戴上頭盔(也被稱為VR一體機),手握數字槍,通過無線網絡聯系互動,完成相應的培訓任務[19].隨著無線網絡的升級換代,圖像數據的傳送會更快,3D圖像質量和沉浸性會更好,虛擬現實與特定功能設備在網絡中的配合應用在未來會更加普遍.

圖8 未來沉浸式虛擬現實的培訓場景

3.3 虛擬現實的標準化和相關應用的規范化

虛擬現實技術(VR)已經成為非常吸引人的、前景廣闊的技術之一,但各廠家生產VR設備標準不同,虛擬仿真軟件和VR作品不能通用,影響了VR的推廣和普及.為了VR的推廣和普及應用,VR技術需要標準化.

沉浸式VR技術正在走向成熟,融合了光學工程技術、計算機技術、傳感器技術、多媒體技術、包含人工智能的人機交互技術、立體顯像技術、網絡技術、計算機仿真模擬和心理學等眾多科學技術,標準化具有一定的困難.現在,一些國際組織如IEEE等,從3D顯示技術、VR頭盔、立體聲系統、動作姿勢追蹤控制等方面進行了標準化的討論.隨著VR技術的成熟,國際標準化組織將來會對VR技術進行標準化,高質量的通用虛擬現實設備就會生產出來,其價格會下降很多,VR應用軟件或VR作品能在不同廠家的設備上應用,VR會在各行各業得到普遍的應用.

用戶體驗虛擬現實時,必須戴上頭盔,透過目鏡才能在虛擬空間漫游體驗,眼睛容易疲勞,時間久了感覺暈眩和頭痛等負面影響,如果是兒童戴上VR頭盔,還有可能傷害他們的視覺系統[7],故今后政府相應部門或機關需要制定一些規范,例如,限制小學生使用VR進行教育培訓,或規定青少年和成人使用VR的時間.另一方面,一些年齡比較大的人對虛擬現實具有負面看法,相應的部門或機關制定對應的措施和規范,鼓勵他們使用虛擬現實技術,特別是在教育領域,鼓勵年齡比較大的教師,應用虛擬現實的新型教學工具,因為這種新型教學工具具有無比的優點.

4 結語

VR經歷了四個發展階段:虛擬現實概念的形成,虛擬現實商業化的推廣嘗試,虛擬現實商業化的成功推廣,虛擬現實相關市場的高速增長;VR能利用計算機圖像建模技術,或者利用全景拍攝技術,再和系統開發軟件協同工作,開發各行業逼真的模擬仿真軟件或內容豐富的VR作品.

VR在教育培訓中具有較多的優點,能培養學生的個性化特征和工匠精神;VR特別適合那些具有較強的災害性和危險性的,或者解決資源緊缺的,或者在現實生活難以構建的場景,如醫療、應急、航空航天、軍事等培訓,能節省大量資金、人力和物力.

在未來,VR成像質量更高和顯像時間更快,再采用新型光學材料制成的目鏡,能進一步減小體積和重量,設計的頭盔將會進一步輕巧,更加舒適,暈眩和頭痛的負面影響會進一步減少.隨著VR應用開發軟件的升級,開發的 VR 作品成本更低,內容更豐富,VR 將會在各行業獲得普遍的推廣.

隨著科學技術的發展,國際標準化組織將來會對VR技術進行標準化,高質量的通用VR設備就會生產出來,VR應用軟件或VR作品能在不同廠家的設備上應用,VR會在各行業得到普遍的應用.