VR技術(shù)基本常識

虛擬現實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向是仿真技術(shù)與計算機圖形學(xué)人機接口技術(shù)多媒體技術(shù)傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等多種技術(shù)的集合是一門(mén)富有挑戰性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現實(shí)技術(shù)(VR)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設備等方面。模擬環(huán)境是由計算機生成的、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應該具有一切人所具有的感知。除計算機圖形技術(shù)所生成的視覺(jué)感知外，還有聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、運動(dòng)等感知，甚至還包括嗅覺(jué)和味覺(jué)等，也稱(chēng)為多感知。自然技能是指人的頭部轉動(dòng)，眼睛、手勢、或其他人體行為動(dòng)作，由計算機來(lái)處理與參與者的動(dòng)作相適應的數據，并對用戶(hù)的輸入作出實(shí)時(shí)響應，并分別反饋到用戶(hù)的五官。傳感設備是指三維交互設備。

發(fā)展歷史

虛擬現實(shí)技術(shù)演變發(fā)展史大體上可以分為四個(gè)階段有聲形動(dòng)態(tài)的模擬是蘊涵虛擬現實(shí)思想的第一階段(1963)年以前虛擬現實(shí)萌芽為第二階段(1963 -1972 )虛擬現實(shí)概念的產(chǎn)生和理論初步形成為第三階段(1973 -1989 )虛擬現實(shí)理論進(jìn)一步的完善和應用為第四階段(1990 -2004 )。

特征

多感知性

指除一般計算機所具有的視覺(jué)感知外，還有聽(tīng)覺(jué)感知、觸覺(jué)感知、運動(dòng)感知，甚至還包括味覺(jué)、嗅覺(jué)、感知等。理想的虛擬現實(shí)應該具有一切人所具有的感知功能。

虛擬現實(shí)存在感

指用戶(hù)感到作為主角存在丁模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應該達到使用戶(hù)難辨真假的程度。

虛擬現實(shí)交互性

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

虛擬現實(shí)自主性

指虛擬環(huán)境中的物體依據現實(shí)世界物理運動(dòng)定律動(dòng)作的程度。

關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現實(shí)是多種技術(shù)的綜合，包括實(shí)時(shí)三維計算機圖形技術(shù)，廣角(寬視野)立體顯示技術(shù)，對觀(guān)察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù)，以及觸覺(jué)/力覺(jué)反饋、立體聲、網(wǎng)絡(luò )傳輸、語(yǔ)音輸入輸出技術(shù)等。下面對這些技術(shù)分別加以說(shuō)明。

實(shí)時(shí)三維計算機圖形

相比較而言，利用計算機模型產(chǎn)生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準確的模型，又有足夠的時(shí)間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)。例如在飛行模擬系統中，圖像的刷新相當重要，同時(shí)對圖像質(zhì)量的要求也很高，再加上非常復雜的虛擬環(huán)境，問(wèn)題就變得相當困難。

虛擬現實(shí)顯示

人看周?chē)氖澜鐣r(shí)，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子里融合起來(lái)，就形成了一個(gè)關(guān)于周?chē)澜绲恼w景象，這個(gè)景象中包括了距離遠近的信息。當然，距離信息也可以通過(guò)其他方法獲得，例如眼睛焦距的遠近、物體大小的比較等。

在VR系統中，雙目立體視覺(jué)起了很大作用。用戶(hù)的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統采用單個(gè)顯示器，但用戶(hù)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(chǎn)生了立體感。

用戶(hù)(頭、眼)的跟蹤：在人造環(huán)境中，每個(gè)物體相對于系統的坐標系都有一個(gè)位置與姿態(tài)，而用戶(hù)也是如此。用戶(hù)看到的景象是由用戶(hù)的位置和頭(眼)的方向來(lái)確定的。

跟蹤頭部運動(dòng)的虛擬現實(shí)頭套：在傳統的計算機圖形技術(shù)中，視場(chǎng)的改變是通過(guò)鼠標或鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現的，用戶(hù)的視覺(jué)系統和運動(dòng)感知系統是分離的，而利用頭部跟蹤來(lái)改變圖像的視角，用戶(hù)的視覺(jué)系統和運動(dòng)感知系統之間就可以聯(lián)系起來(lái)，感覺(jué)更逼真。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，用戶(hù)不僅可以通過(guò)雙目立體視覺(jué)去認識環(huán)境，而且可以通過(guò)頭部的運動(dòng)去觀(guān)察環(huán)境。

在用戶(hù)與計算機的交互中，鍵盤(pán)和鼠標是目前最常用的工具，但對于三維空間來(lái)說(shuō)，它們都不太適合。在三維空間中因為有六個(gè)自由度，我們很難找出比較直觀(guān)的辦法把鼠標的平面運動(dòng)映射成三維空間的任意運動(dòng)?，F在，已經(jīng)有一些設備可以提供六個(gè)自由度，如3Space數字化儀和SpaceBall空間球等。另外一些性能比較優(yōu)異的設備是數據手套和數據衣。

虛擬現實(shí)聲音

人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強度的差別來(lái)確定聲音的方向，因為聲音到達兩只耳朵的時(shí)間或距離有所不同。常見(jiàn)的立體聲效果就是靠左右耳聽(tīng)到在不同位置錄制的不同聲音來(lái)實(shí)現的，所以會(huì )有一種方向感?，F實(shí)生活里，當頭部轉動(dòng)時(shí)，聽(tīng)到的聲音的方向就會(huì )改變。但目前在VR系統中，聲音的方向與用戶(hù)頭部的運動(dòng)無(wú)關(guān)。

虛擬現實(shí)感覺(jué)反饋

在一個(gè)VR系統中，用戶(hù)可以看到一個(gè)虛擬的杯子。你可以設法去抓住它，但是你的手沒(méi)有真正接觸杯子的感覺(jué)，并有可能穿過(guò)虛擬杯子的“表面”，而這在現實(shí)生活中是不可能的。解決這一問(wèn)題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動(dòng)的觸點(diǎn)來(lái)模擬觸覺(jué)。

虛擬現實(shí)語(yǔ)音

在VR系統中，語(yǔ)音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環(huán)境能聽(tīng)懂人的語(yǔ)言，并能與人實(shí)時(shí)交互。而讓計算機識別人的語(yǔ)音是相當困難的，因為語(yǔ)音信號和自然語(yǔ)言信號有其“多邊性”和復雜性。例如，連續語(yǔ)音中詞與詞之間沒(méi)有明顯的停頓，同一詞、同一字的發(fā)音受前后詞、字的影響，不僅不同人說(shuō)同一詞會(huì )有所不同，就是同一人發(fā)音也會(huì )受到心理、生理和環(huán)境的影響而有所不同。

使用人的自然語(yǔ)言作為計算機輸入目前有兩個(gè)問(wèn)題，首先是效率問(wèn)題，為便于計算機理解，輸入的語(yǔ)音可能會(huì )相當嗦。其次是正確性問(wèn)題，計算機理解語(yǔ)音的方法是對比匹配，而沒(méi)有人的智能。

技術(shù)特點(diǎn)

VR藝術(shù)是伴隨著(zhù)“虛擬現實(shí)時(shí)代”的來(lái)臨應運而生的一種新興而獨立的藝術(shù)門(mén)類(lèi)，在《虛擬現實(shí)藝術(shù)： 形而上的終極再創(chuàng )造》一文中，關(guān)于VR藝術(shù)有如下的定義：“以虛擬現實(shí)(VR)、增強現實(shí)(AR)等人工智能技術(shù)作為媒介手段加以運用的藝術(shù)形式，我們稱(chēng)之為虛擬現實(shí)藝術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)VR藝術(shù)。該藝術(shù)形式的主要特點(diǎn)是超文本性和交互性。”

“作為現代科技前沿的綜合體現，VR藝術(shù)是通過(guò)人機界面對復雜數據進(jìn)行可視化操作與交互的一種新的藝術(shù)語(yǔ)言形式，它吸引藝術(shù)家的重要之處，在于藝術(shù)思維與科技工具的密切交融和二者深層滲透所產(chǎn)生的全新的認知體驗。與傳統視窗操作下的新媒體藝術(shù)相比，交互性和擴展的人機對話(huà)，是VR藝術(shù)呈現其獨特優(yōu)勢的關(guān)鍵所在。從整體意義上說(shuō)，VR藝術(shù)是以新型人機對話(huà)為基礎的交互性的藝術(shù)形式，其最大優(yōu)勢在于建構作品與參與者的對話(huà)，通過(guò)對話(huà)揭示意義生成的過(guò)程。

藝術(shù)家通過(guò)對VR、AR等技術(shù)的應用，可以采用更為自然的人機交互手段控制作品的形式，塑造出更具沉浸感的藝術(shù)環(huán)境和現實(shí)情況下不能實(shí)現的夢(mèng)想，并賦予創(chuàng )造的過(guò)程以新的含義。如具有VR性質(zhì)的交互裝置系統可以設置觀(guān)眾穿越多重感官的交互通道以及穿越裝置的過(guò)程，藝術(shù)家可以借助軟件和硬件的順暢配合來(lái)促進(jìn)參與者與作品之間的溝通與反饋，創(chuàng )造良好的參與性和可操控性;也可以通過(guò)視頻界面進(jìn)行動(dòng)作捕捉，儲存訪(fǎng)問(wèn)者的行為片段，以保持參與者的意識增強性為基礎，同步放映增強效果和重新塑造、處理過(guò)的影像;通過(guò)增強現實(shí)、混合現實(shí)等形式，將數字世界和真實(shí)世界結合在一起，觀(guān)眾可以通過(guò)自身動(dòng)作控制投影的文本，如數據手套可以提供力的反饋，可移動(dòng)的場(chǎng)景、360度旋轉的球體空間不僅增強了作品的沉浸感，而且可以使觀(guān)眾進(jìn)入作品的內部，操縱它、觀(guān)察它的過(guò)程，甚至賦予觀(guān)眾參與再創(chuàng )造的機會(huì )。”

虛擬現實(shí)技術(shù)應用

虛擬現實(shí)醫學(xué)

VR在醫學(xué)方面的應用具有十分重要的現實(shí)意義。在虛擬環(huán)境中，可以建立虛擬的人體模型，借助于跟蹤球、HMD、感覺(jué)手套，學(xué)生可以很容易了解人體內部各器官結構，這比現有的采用教科書(shū)的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個(gè)SGI工作站建立了一個(gè)虛擬外科手術(shù)訓練器，用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個(gè)虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺與手術(shù)燈，虛擬的外科工具(如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等)，虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺(jué)手套，使用者可以對虛擬的人體模型進(jìn)行手術(shù)。但該系統有待進(jìn)一步改進(jìn)，如需提高環(huán)境的真實(shí)感，增加網(wǎng)絡(luò )功能，使其能同時(shí)培訓多個(gè)使用者，或可在外地專(zhuān)家的指導下工作等。手術(shù)后果預測及改善殘疾人生恬狀況，乃至新型藥物的研制等方面，VR技術(shù)都有十分重要的意義。

在醫學(xué)院校，學(xué)生可在虛擬實(shí)驗室中，進(jìn)行“尸體”解剖和各種手術(shù)練習。用這項技術(shù)，由于不受標本、場(chǎng)地等的限制，所以培訓費用大大降低。一些用于醫學(xué)培訓、實(shí)習和研究的虛擬現實(shí)系統，仿真程度非常高，其優(yōu)越性和效果是不可估量和不可比擬的。例如，導管插入動(dòng)脈的模擬器，可以使學(xué)生反復實(shí)踐導管插入動(dòng)脈時(shí)的操作;眼睛手術(shù)模擬器，根據人眼的前眼結構創(chuàng )造出三維立體圖像，并帶有實(shí)時(shí)的觸覺(jué)反饋，學(xué)生利用它可以觀(guān)察模擬移去晶狀體的全過(guò)程，并觀(guān)察到眼睛前部結構的血管、虹膜和鞏膜組織及角膜的透明度等。還有麻醉虛擬現實(shí)系統、口腔手術(shù)模擬器等。

外科醫生在真正動(dòng)手術(shù)之前，通過(guò)虛擬現實(shí)技術(shù)的幫助，能在顯示器上重復地模擬手術(shù)，移動(dòng)人體內的器官，尋找最佳手術(shù)方案并提高熟練度。在遠距離遙控外科手術(shù)，復雜手術(shù)的計劃安排，手術(shù)過(guò)程的信息指導，手術(shù)后果預測及改善殘疾人生活狀況，乃至新藥研制等方面，虛擬現實(shí)技術(shù)都能發(fā)揮十分重要的作用。