VR技術(shù)需解決的問題及關(guān)鍵技術(shù)和研究內(nèi)容的分析介紹

　　虛擬現(xiàn)實（簡稱 VR），又稱靈境技術(shù)，是以沉浸性、交互性和構(gòu)想性為基本特征的計算機高級人機界面。他綜合利用了計算機圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使人能夠沉浸在計算機生成的虛擬境界中，并能夠通過語言、手勢等自然的方式與之進行實時交互，創(chuàng)建了一種適人化的多維信息空間。使用者不僅能夠通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)感受到在客觀物理世界中所經(jīng)歷的“身臨其境”的逼真性，而且能夠突破空間、時間以及其他客觀限制，感受到真實世界中無法親身經(jīng)歷的體驗。 VR 技術(shù)具有超越現(xiàn)實的虛擬性。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心設(shè)備仍然是計算機。它的一個主要功能是生成虛擬境界的圖形，故此又稱為圖形工作站。目前在此領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是 SGI、SUN 等生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的專用工作站，但近來基于 Intel 奔騰Ⅲ（Ⅳ代）代芯片的和圖形加速卡的微機圖形工作站性能價格比優(yōu)異，有可能異軍突起。圖像顯示設(shè)備是用于產(chǎn)生立體視覺效果的關(guān)鍵外設(shè)，目前常見的產(chǎn)品包括光閥眼鏡、三維投影儀和頭盔顯示器等。其中高檔的頭盔顯示器在屏蔽現(xiàn)實世界的同時，提供高分辨率、大視場角的虛擬場景，并帶有立體聲耳機，可以使人產(chǎn)生強烈的浸沒感。其他外設(shè)主要用于實現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實的交互功能，包括數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、運動跟蹤器、力反饋裝置、語音識別與合成系統(tǒng)等等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。它始于軍事和航空航天領(lǐng)域的需求，但近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用已大步走進工業(yè)、建筑設(shè)計、教育培訓(xùn)、文化娛樂等方面。它正在改變著我們的生活。 虛擬與現(xiàn)實兩詞具有相互矛盾的含義，把這兩個詞放在一起，似乎沒有意義，但是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展卻賦予了它新的含義。虛擬現(xiàn)實的明確定義不太好說，按最早提出虛擬現(xiàn)實概念的學(xué)者 J.Laniar 的說法，虛擬現(xiàn)實，又稱假想現(xiàn)實，意味著“用電子計算機合成的人工世界”。從此可以清楚地看到，這個領(lǐng)域與計算機有著不可分離的密切關(guān)系，信息科學(xué)是合成虛擬現(xiàn)實的基本前提。生成虛擬現(xiàn)實需要解決以下三個主要問題： ①以假亂真的存在技術(shù)。即，怎樣合成對觀察者的感官器官來說與實際存在相一致的輸入信息，也就是如何可以產(chǎn)生與現(xiàn)實環(huán)境一樣的視覺，觸覺，嗅覺等。 ②相互作用。觀察者怎樣積極和能動地操作虛擬現(xiàn)實，以實現(xiàn)不同的視點景象和更高層次的感覺信息。實際上也就是怎么可以看得更像，聽得更真等等。 ③自律性現(xiàn)實。感覺者如何在不意識到自己動作、行為的條件下得到栩栩如生的現(xiàn)實感。在這里，觀察者、傳感器、計算機仿真系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)構(gòu)成了一個相互作用的閉環(huán)流程。 虛擬現(xiàn)實是多種技術(shù)的綜合，其關(guān)鍵技術(shù)和研究內(nèi)容包括以下幾個方面： 1、環(huán)境建模技術(shù) 即虛擬環(huán)境的建立，目的是獲取實際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。 2、立體聲合成和立體顯示技術(shù) 在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中消除聲音的方向與用戶頭部運動的相關(guān)性，同時在復(fù)雜的場景中實時生成立體圖形。 3、觸覺反饋技術(shù) 在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中讓用戶能夠直接操作虛擬物體并感覺到虛擬物體的反作用力，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺。 4、交互技術(shù) 虛擬現(xiàn)實中的人機交互遠遠超出了鍵盤和鼠標(biāo)的傳統(tǒng)模式，利用數(shù)字頭盔、數(shù)字手套等復(fù)雜的傳感器設(shè)備，三維交互技術(shù)與語音識別、語音輸入技術(shù)成為重要的人機交互手段。 5、系統(tǒng)集成技術(shù) 由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)為重中之重：包括信息同步技術(shù)、模型標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、識別和合成技術(shù)等等。 虛擬現(xiàn)實是在計算機中構(gòu)造出一個形象逼真的模型。人與該模型可以進行交互，并產(chǎn)生與真實世界中相同的反饋信息，使人們獲得和真實世界中一樣的感受。當(dāng)人們需要構(gòu)造當(dāng)前不存在的環(huán)境（合理虛擬現(xiàn)實）、人類不可能達到的環(huán)境（夸張?zhí)摂M現(xiàn)實）或構(gòu)造純粹虛構(gòu)的環(huán)境（虛幻虛擬現(xiàn)實）以取代需要耗資巨大的真實環(huán)境時，就可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)。 為了實現(xiàn)和在真實世界中一樣的感覺，就需要有能實現(xiàn)各種感覺的技術(shù)。人在真實世界中是通過眼睛、耳朵、手指、鼻子等器官來實現(xiàn)視覺、觸覺（力覺）、嗅覺等功能的。人們通過視覺觀看到色彩斑斕的外部環(huán)境，通過聽覺感知豐富多彩的音響世界，通過觸覺了解物體的形狀和特性，通過嗅覺知道周圍的氣味?？傊?，通過各種各樣的感覺，使我們能夠同客觀真實世界交互（交流），使我們浸沉于和真實世界一樣的環(huán)境中。 在這里，實現(xiàn)聽覺最為容易；實現(xiàn)視覺是最基本的也是必不可少的和最常用的；實現(xiàn)觸覺只有在某些情況下需要，現(xiàn)在正在完善；實現(xiàn)嗅覺還剛剛開始。 人從外界獲得的信息，有 80%—90%來自視覺。因此在虛擬環(huán)境中，實現(xiàn)和真實環(huán)境中一樣的視覺感受，對于獲得逼真感、浸沉感至為重要。 在虛擬現(xiàn)實中和通常圖像顯示不同的是，要求顯示的圖像要隨觀察者眼睛位置的變化而變化。此外，要求能快速生成圖像以獲和實時感。例如，制作動畫時不要求實時，為了保證質(zhì)量每幅畫面需要多長時間生成不受限制。而虛擬現(xiàn)實時生成的畫面通常為 30 幀/秒。 有了這樣的圖像生成能力，再配以適當(dāng)?shù)囊繇懶Ч?，就可以使人有身臨其境的感受。 能夠提供視覺和聽覺效果的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，已被用于各種各樣的仿真系統(tǒng)中。城市規(guī)劃中，這樣的系統(tǒng)正發(fā)揮著巨大作用。例如，許多城市都有自己的近期、中期和遠景規(guī)劃。在規(guī)劃中需要考慮各個建筑同周圍環(huán)境是否和諧相容，新建筑是否同周圍的原有的建筑協(xié)調(diào)，以免造成建筑物建成后，才發(fā)現(xiàn)它破壞了城市原有風(fēng)格和合理布局。 這樣的仿真系統(tǒng)還可用以保護文物、重現(xiàn)古建筑。把珍貴的文物用虛擬現(xiàn)實技術(shù)展現(xiàn)出來供人參觀，有利于保護真實的古文物。山東曲阜的孔子博物院就是這么做的。它把大成殿也制成模型，觀眾通過計算機便可瀏覽到大成殿幾十根鏤空雕刻的盤龍大石柱，還可以繞到大成殿后面游覽。 用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立起來的水庫和江河湖泊仿真系統(tǒng)，更能使人一覽無遺。例如建立起三峽水庫模型后，便可在水庫建成之前，直觀地看到建成后的壯觀景象。蓄水后將最先淹沒哪些村莊和農(nóng)田，哪些文物將被淹沒，這樣能主動及時解決問題。如果建立了某地區(qū)防汛仿真系統(tǒng)，就可以模擬水位到達警戒線時哪些堤段會出現(xiàn)險情，萬一發(fā)生決口將淹沒哪些地區(qū)。這對制定應(yīng)急預(yù)案有莫大的幫助。 虛擬現(xiàn)實的廣泛用途，把計算機應(yīng)用提高到一個嶄新的水平，其作用和意義顯而易見。此外，還可從更高的層次上來看待其作用和意義。 一是在觀念上，從“以計算機為主體”變 成“以人為主體”。二是在哲學(xué)上使人進一步認(rèn)識“虛”和“實”之間的關(guān)系。 過去的人機界面（人同計算機的交流）要求人去適應(yīng)計算機，而使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)后，人可以不必意識到自己在同計算機打交道，而可以像在日常環(huán)境中處理事情一樣同計算機交流。這就把人從操作計算機的復(fù)雜工作中解放出來。在信息技術(shù)日益復(fù)雜、用途日益廣泛的今天，這充分發(fā)揮信息技術(shù)的潛力具有重大的意義。 虛和實的關(guān)系是一個古老的哲學(xué)命題。我們是處于真實的客觀世界中，還是只處于自己感覺世界中，一直是唯物論和唯心論爭論的焦點。以視覺為例，我們所看到的一切，不過是視網(wǎng)膜上的影像。過去，視網(wǎng)膜上的影像都是真實世界的反映，因此客觀的真實世界同主觀的感覺世界是一致的?，F(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實導(dǎo)致了二重性，虛擬現(xiàn)實的景物對人感官來說是實實在在的存在，但它又的的確確是虛構(gòu)的東西?？墒?，按照虛構(gòu)東西行事，往往又會得出正確的結(jié)果。因此就引發(fā)了哲學(xué)上要重新認(rèn)識“虛”和“實” 之間關(guān)系的課題。 早在 20 世紀(jì) 70 年代便開始將虛擬現(xiàn)實用于培訓(xùn)宇航員。由于這是一種省錢、安全、有效 的培訓(xùn)方法，現(xiàn)在已被推廣到各行各業(yè)的培訓(xùn)中。目前，虛擬現(xiàn)實已被推廣到不同領(lǐng)域中，得到廣泛應(yīng)用。 在科技開發(fā)上，虛擬現(xiàn)實可縮短開發(fā)周期，減少費用。例如克萊斯勒公司 1998 年初便利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在設(shè)計某兩種新型車上取得突破，首次使設(shè)計的新車直接從計算機屏幕投入生產(chǎn)線，也就是說完全省略了中間的試生產(chǎn)。 由于利用了卓越的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使克萊斯勒避免了 1500 項設(shè)計差錯，節(jié)約了 8 個月的開發(fā)時間和 8 000 萬美元費用。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以進行汽車沖撞試驗，不必使用真的汽車便可顯示出不同條件下的沖撞后果。 在虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)和理論分析、科學(xué)實驗一起，成為人類探索客觀世界規(guī)律的三大手段。用它來設(shè)計新材料，可以預(yù)先了解改變成分對材料性能的影響。在材料還沒有制造出來之前便知道用這種材料制造出來的零件在不同受力情況下是如何損壞的。 商業(yè)上，虛擬現(xiàn)實常被用于推銷。例如建筑工程投標(biāo)時，把設(shè)計的方案用虛擬現(xiàn)實技術(shù)表現(xiàn)出來，便可把業(yè)主帶入未來的建筑物里參觀，如門的高度、窗戶朝向、采光多少、屋內(nèi)裝飾等，都可以感同身受。它同樣可用于旅游景點以及功能眾多、用途多樣的商品推銷。因為用虛擬現(xiàn)實技術(shù)展現(xiàn)這類商品的魅力，比單用文字或圖片宣傳更加有吸引力。 醫(yī)療上，虛擬現(xiàn)實應(yīng)用大致上有兩類。一是虛擬人體，也就是數(shù)字化人體，這樣的人體模型醫(yī)生更容易了解人體的構(gòu)造和功能。另一是虛擬手術(shù)系統(tǒng)，可用于指導(dǎo)手術(shù)的進行。 軍事上，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬戰(zhàn)爭過程已成為最先進的多快好省的研究戰(zhàn)爭、培訓(xùn)指揮員的方法。也是由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)達到很高水平，所以盡管不進行核試驗，也能不斷改進核武器。戰(zhàn)爭實驗室在檢驗預(yù)定方案用于實戰(zhàn)方面也能起巨大作用。1 991 年海灣戰(zhàn)爭開始前，美軍便把海灣地區(qū)各種自然環(huán)境和伊拉克軍隊的各種數(shù)據(jù)輸入計算機內(nèi)，進行各種作戰(zhàn)方案模擬后才定下初步作戰(zhàn)方案。后來實際作戰(zhàn)的發(fā)展和模擬實驗結(jié)果相當(dāng)一致。 娛樂上，應(yīng)用是虛擬現(xiàn)實最廣闊的用途。英國出售的一種滑雪模擬器。使用者身穿滑雪服、腳踩滑雪板、手拄滑雪棍、頭上載著頭盔顯示器，手腳上都裝著傳感器。雖然在斗室里，只要做著各種各樣的滑雪動作，便可通過頭盔式顯示器，看到堆滿皚皚白雪的高山、峽谷、懸崖陡壁，一一從身邊掠過，其情景就和在滑雪場里進行真的滑雪所感覺的一樣。 現(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅創(chuàng)造出虛擬場景，而且還創(chuàng)造出虛擬主持人、虛擬歌星、虛擬演員。日本電視臺推出的歌星 DiKi，不僅歌聲迷人而且風(fēng)采翩翩，引得無數(shù)歌迷紛紛傾倒，許多追星族欲親睹其芳容，迫使電視臺只好說明她不過是虛擬的歌星。美國迪斯尼公司還準(zhǔn)備推出虛擬演員。這將使“演員”藝術(shù)青春常在、活力永存。明星片酬走向天價是導(dǎo)致使用虛擬演員的另一個原因。虛擬演員成為電影主角后，電影將成為軟件產(chǎn)業(yè)的一個分支。各軟件公司將開發(fā)數(shù)不勝數(shù)的虛擬演員軟件供人選購。固然，在幽默和人情味上，虛擬演員在很長一段時間內(nèi)甚至永遠都無法同真演員相比，但它的確能成為優(yōu)秀演員。不久前由計算機拍成的游戲節(jié)目《古墓麗影》片中的女主角入選全球知名人物，預(yù)示著虛擬演員時代即將來臨。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)和理論分析、科學(xué)實驗一起，成為人類探索客觀世界規(guī)律三大手段