淺談虛擬現(xiàn)實技術(shù)

湯朋 張暉

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸滲透各個行業(yè)，不僅給人們帶來了前所未有的新鮮體驗，而且給各行業(yè)帶來了許多便捷。文章概括介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念、發(fā)展歷史、特征，有關(guān)虛擬現(xiàn)實涉及的技術(shù)及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);發(fā)展歷史;關(guān)鍵技術(shù)

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng)，它是通過利用計算機(jī)而生成的一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，可以使用戶沉浸到該環(huán)境中。

二、虛擬現(xiàn)實發(fā)展歷史

1.第一階段（1963年以前）有聲形動態(tài)的模擬是蘊涵虛擬現(xiàn)實思想的階段

1929年，Edward Link設(shè)計出用于訓(xùn)練飛行員的模擬器;1956年，Morton Heilig開發(fā)出多通道仿真體驗系統(tǒng)Sensorama。

2.第二階段（1963—1972 ）虛擬現(xiàn)實萌芽階段

1965年，Ivan Sutherland發(fā)表論文“UltimateDisplay” （終極的顯示）;1968年，Ivan Sutherland研制成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器（HMD）;1972年，Nolan Bushell開發(fā)出第一個交互式電子游戲Pong。

3.第三階段（1973—1989 ）虛擬現(xiàn)實概念的產(chǎn)生和理論初步形成階段

1977年，Dan Sandin等研制出數(shù)據(jù)手套Sayre Glove;1984年，NASA AMES研究中心開發(fā)出用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器;1984年，VPL公司的Jaron Lanier首次提出“虛擬現(xiàn)實”的概念;1987年，Jim Humphries設(shè)計了雙目全方位監(jiān)視器（BOOM）的最早原型。

4.第四階段（1990年至今 ）虛擬現(xiàn)實理論進(jìn)一步的完善和應(yīng)用階段

1990年，提出VR技術(shù)包括三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)和高分辨率顯示技術(shù);VPL公司開發(fā)出第一套傳感手套“DataGloves”，第一套HMD “EyePhoncs”;21世紀(jì)以來，VR技術(shù)高速發(fā)展，軟件開發(fā)系統(tǒng)不斷完善，有代表性的如MultiGen Vega、Open Scene Graph、Virtools等。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征及其關(guān)鍵技術(shù)

（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有四個重要特征

1.多感知性

多感知性指除一般計算機(jī)所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至還包括味覺、嗅覺、感知等。理想的虛擬現(xiàn)實應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。

2.存在感

存在感指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難辨真假的程度。

3.交互性

交互性指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。

4.自主性

自主性指虛擬環(huán)境中的物體依據(jù)現(xiàn)實世界物理運動定律動作的程度。

（二）虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)

1.動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

虛擬環(huán)境的建立是VR系統(tǒng)的核心內(nèi)容，目的就是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

2.實時三維圖形生成技術(shù)

三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，那么關(guān)鍵就是“實時”生成。為了達(dá)到實時的目的，至少保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，最好高于30幀/秒。

3.立體顯示和傳感器技術(shù)

虛擬現(xiàn)實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，力學(xué)和觸覺傳感裝置的研究也有待進(jìn)一步深入，虛擬現(xiàn)實設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高。

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，例如如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造性。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對象可以大幅度提高生產(chǎn)效率，減輕勞動強度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。想要達(dá)到這一目的，則需要研究虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具。

5.系統(tǒng)集成技術(shù)

由于VR系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識別與合成技術(shù)等。

四、虛擬現(xiàn)實在生活中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)近年來應(yīng)用于各個方面，現(xiàn)在挑出幾個代表進(jìn)行介紹。

1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在游戲娛樂方面的應(yīng)用

虛擬理想技術(shù)使人無論怎樣轉(zhuǎn)動視角，其所看到的場景均為電腦預(yù)先設(shè)定的虛擬場景，從而使使用者感到身在其中，產(chǎn)生極強的沉浸感與參與感。盡管玩家內(nèi)心清楚游戲中的人物與場景全是假的，但環(huán)繞視野與聲光觸覺模擬器使他的潛意識認(rèn)為自己處于真實的世界，電腦能夠立即中止簡單的運算，將準(zhǔn)確的3D世界影像傳回，爆發(fā)臨場感，達(dá)到人在房中但心游天下的效果。

這項技術(shù)相比傳統(tǒng)顯示技術(shù)最大的不同是以一個360°無死角的屏幕代替了有限的一維屏界，給人以身臨其境之感，與BD技術(shù)的結(jié)合和傳感器的使用更減少了傳統(tǒng)游戲無法避免的人機(jī)隔閡，具有廣闊的市場前景與應(yīng)用價值。在美國芝加哥虛擬娛樂世界，人們排長隊購買門票參加虛擬現(xiàn)實的戰(zhàn)斗游戲。游戲人坐在駕駛艙里，艙內(nèi)有控制器立體屏幕。游玩的人可以乘飛艇探測遙遠(yuǎn)的星球，飛行中要保護(hù)自己防止巨型坦克的襲擊，并用激光槍展開射擊競賽，也可以低頭彎腰、扭身拐行，躲開史前翼身恐龍的沖擊。

2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以進(jìn)行個性化醫(yī)學(xué)診斷、治療，逼真預(yù)期不同的治療方案在人體上的不同反應(yīng)。與傳統(tǒng)的主觀判斷相比，在虛擬人體上進(jìn)行各種無法在真人身上進(jìn)行的診療試驗，可以根據(jù)獲得的治療數(shù)據(jù)和人體反應(yīng)進(jìn)行科學(xué)分析和判斷，可以做出更加理性和真實可行的診斷和治療方案。虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)可以根據(jù)各種醫(yī)學(xué)影像信息和數(shù)據(jù)創(chuàng)建虛擬手術(shù)環(huán)境，并在虛擬環(huán)境中建立3D模型設(shè)計切口位置、角度，預(yù)演手術(shù)的過程，從中可以提前預(yù)測手術(shù)過程中可能出現(xiàn)的問題并采取補救措施，從而提高手術(shù)的成功率。有了這個虛擬系統(tǒng)，醫(yī)生可以更加合理地選擇制訂手術(shù)方案和方法，減少手術(shù)給患者帶來的各種損傷和傷害，并可以提高準(zhǔn)確判斷病灶的位置的準(zhǔn)度，對各種復(fù)雜的內(nèi)科、外科手術(shù)都有很好的輔助判斷效果。

3.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育方面的應(yīng)用

在不能室外教學(xué)的情況下，可以利用互聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)觀摩實際發(fā)生的地理室外教學(xué)，以彌補無法外出的缺憾。VR 虛擬現(xiàn)實技術(shù)正是適應(yīng)了這一要求，營造了一種滿足學(xué)生探索自然奧秘、認(rèn)識社會生活環(huán)境的學(xué)習(xí)環(huán)境。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實施還有利于營造促使學(xué)生形成地理信息意識與能力的教學(xué)環(huán)境，使地理課堂教學(xué)方式呈現(xiàn)出多樣性、創(chuàng)造性和新穎性。VR 技術(shù)改變了教材的呈現(xiàn)方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、教師的教學(xué)方式 與師生活動方式，極大促進(jìn)了地理課堂教學(xué)改革。

4.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在心理學(xué)方面的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)其實最早被用于焦慮障礙的治療，且主要集中在恐高癥、飛行恐怖、幽閉恐怖和廣場恐怖等方面。1994年，Rothbaum小組設(shè)計出了一套治療飛行恐怖的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，成功治愈了一名女性飛行恐怖患者。該小組還對虛擬現(xiàn)實暴露療法和傳統(tǒng)療法進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實與傳統(tǒng)暴露療法效果相當(dāng)并且可以長期保持。Muhlberger小組將30名飛行恐怖患者隨機(jī)分為虛擬現(xiàn)實組和放松治療組，治療后兩組都有明顯改善，但是虛擬現(xiàn)實組的效果明顯優(yōu)于對照組。類似的研究還有很多，都證明虛擬現(xiàn)實的確擁有良好的治療作用。

五、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進(jìn)一步展望

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。它的研究內(nèi)容涉及人工智能、計算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、傳感器、計算機(jī)圖形學(xué)、智能控制、心理學(xué)等。雖然這個領(lǐng)域的技術(shù)潛力是巨大的，應(yīng)用前景也是很廣闊的，但仍存在許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術(shù)障礙?？陀^而論，目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)所取得的成就，絕大部分還僅僅限于擴(kuò)展了計算機(jī)的接口能力，僅僅是剛剛開始涉及人的感知系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)與計算機(jī)結(jié)合作用問題，還根本未涉及“人在實踐中得到的感覺信息是怎樣在人的大腦中存儲加工處理成為人對客觀世界的認(rèn)識”這一重要過程。只有當(dāng)真正開始涉及并找到對這些問題的技術(shù)實現(xiàn)途徑時，人和信息處理系統(tǒng)間的隔閡才有可能被徹底克服。我們期待有朝一日，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)成為一種對多維信息處理的強大系統(tǒng)，成為人進(jìn)行思維和創(chuàng)造的助手和對人們已有的概念進(jìn)行深化和獲取新概念的有力工具。

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