淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1、淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)，這是最近幾年飛速發(fā)展的新興技術(shù)。它就像一座橋梁，架起了虛擬程序和現(xiàn)實(shí)生活之間的通路。讓一切曾經(jīng)我們想都不敢想的事情變成了現(xiàn)實(shí)。我們大學(xué)生目前還處在科技的底層，能接觸到的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要還是在娛樂方面，當(dāng)英勇威猛的阿凡達(dá)駕馭飛龍摧城拔寨，當(dāng)本應(yīng)令人忍俊不禁的猩猩開始和人類刀戈相向，當(dāng)我們感嘆這一切的神奇之時(shí)，我們不應(yīng)該忘記虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的貢獻(xiàn)?？偟膩碚f，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，本質(zhì)是一種多源信息融合的交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，可以使用戶沉浸到該環(huán)境中。本文章主要介紹如今虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于生

2、產(chǎn)生活的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面就不再多提，但是說到應(yīng)用，就不能簡(jiǎn)單介紹一下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征，而這些特征，也是讓我們感到這種計(jì)算機(jī)技術(shù)很神奇卻很熟悉的原因。特征主要有四個(gè)，分別是多感知性，存在感，交互性和自主性。第一就是多感知性，眾所周知，計(jì)算機(jī)一般只有視覺感知，而理想的虛擬現(xiàn)實(shí)則需要具有一切人所具有的感知功能，包括聽覺、觸覺、嗅覺甚至是味覺。第二則是存在感，也就是真實(shí)程度，最好達(dá)到使用戶難辨真假的程度。第三點(diǎn)是交互性，交互性是指用戶對(duì)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，舉個(gè)例子，就是說如果在虛擬世界你被石頭砸到了頭，現(xiàn)實(shí)中你也會(huì)伴隨著頭疼。最后一個(gè)則是自主性，虛擬環(huán)境中的物體要

3、依據(jù)現(xiàn)實(shí)世界物理規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，就像現(xiàn)實(shí)中水向低處流，虛擬世界總不能反著來。這些特征注定了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)有很廣泛的應(yīng)用，無論是生活?yuàn)蕵?，還是科研生產(chǎn)，尤其是在一些現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)會(huì)有高成本或高風(fēng)險(xiǎn)的方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有不可替代的作用。先說一些輕松的方面，也就是在娛樂方面VR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）的巨大威力。由于在娛樂方面對(duì)VR的真實(shí)感要求不是太高，故近些年來VR在該方面發(fā)展最為迅猛。如Chicago（芝加哥）開放了世界上第一臺(tái)大型可供多人使用的VR娛樂系統(tǒng)，其主題是關(guān)于3025年的一場(chǎng)未來戰(zhàn)爭(zhēng)；英國(guó)開發(fā)的稱為“Virtuality”的VR游戲系統(tǒng)，配有HMD，大大增強(qiáng)了真實(shí)感；1992年的一臺(tái)稱為“Leg

4、eal Qust”的系統(tǒng)由于增加了人工智能功能，使計(jì)算機(jī)具備了自學(xué)習(xí)功能，大大增強(qiáng)了趣味性及難度，使該系統(tǒng)獲該年度VR產(chǎn)品獎(jiǎng)。另外在家庭娛樂方面VR也顯示出了很好的前景。首先，重點(diǎn)介紹一下的電影里的VR，2010年阿凡達(dá)IMAX的突襲，代表著人類的視聽感官體驗(yàn)進(jìn)入了一個(gè)新的紀(jì)元。有人說這是一次空前規(guī)模的IMAX群眾普及教育，亦是CG技術(shù)（影片本身在真實(shí)場(chǎng)景中拍攝并由真人表演為主，但穿插應(yīng)用大量虛擬場(chǎng)景及特效的影片）的一次空前展示，殊不知IMAX來襲預(yù)示著電影中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更加成熟。在課上老師曾放過一個(gè)關(guān)于阿凡達(dá)電影拍攝的場(chǎng)景，身穿黑色緊身衣，身體各關(guān)節(jié)處貼著反光跟蹤器的動(dòng)作演員，在數(shù)十臺(tái)高清攝

5、像機(jī)與數(shù)十個(gè)跟蹤點(diǎn)組成的三維立體的捕捉空間中，由Motion capture（運(yùn)動(dòng)捕捉）系統(tǒng)對(duì)演員動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉，并記錄下每一個(gè)關(guān)節(jié)在三維空間中的位置與運(yùn)動(dòng)軌跡。而后，動(dòng)作數(shù)據(jù)捕捉設(shè)備把采集到的動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再把動(dòng)作數(shù)據(jù)附加到虛擬的三維角色模型上，虛擬角色就可以在演員的動(dòng)作數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下表演出真實(shí)流暢的動(dòng)作。形形色色、表情豐富、身手不凡的虛擬角色都得益于這種被稱作Motion Capture的動(dòng)作捕捉技術(shù)。它使非真實(shí)的虛擬角色動(dòng)作看起來更加的生動(dòng)自然。動(dòng)作捕捉技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳感器捕捉人類自然動(dòng)作，并輸入處理動(dòng)作數(shù)據(jù)，階段性的實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，再配以面部表情捕捉、人物在場(chǎng)景中的定位等各種技術(shù)保障了電

6、影拍攝的互動(dòng)性與實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)人機(jī)互動(dòng)。這也是虛擬現(xiàn)實(shí)的一種重要應(yīng)用。在虛擬現(xiàn)實(shí)方面，阿凡達(dá)的創(chuàng)造者，著名導(dǎo)演詹姆斯·卡梅隆也有自己的獨(dú)到的見解?！拔冶救朔浅Ｏ胝业揭环N方法，能夠通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來提高電影制作的技術(shù)和體驗(yàn)?！笨穫惐惶釂枙r(shí)表示，“因此當(dāng)你有一個(gè)選擇可以體驗(yàn)到更直接的敘述方式、更加個(gè)性化的途徑，并且這一切都是實(shí)時(shí)的，我認(rèn)為這個(gè)過程將非常具有樂趣。雖然制作出能夠提供這樣體驗(yàn)的電影需要投入巨額的資金和大量的精力，但是我依然認(rèn)為這是非常有趣的嘗試?！笨仿?dǎo)演的意思大概就是想努力去實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全現(xiàn)實(shí)版的阿凡達(dá)?！拔覍?duì)它非常有興趣?！笨仿≌f，“在接下來的一個(gè)月內(nèi)，我將會(huì)仔細(xì)

7、研究一下這種技術(shù)。事實(shí)上，虛擬現(xiàn)實(shí)從某種途徑已經(jīng)描述了我們之前在拍攝阿凡達(dá)時(shí)的工作方式。我們整天都在虛擬的環(huán)境下工作，并且已經(jīng)使用過虛擬相機(jī)來創(chuàng)建所有的CG照片及影片，甚至我的周圍會(huì)被一整圈虛擬現(xiàn)實(shí)圖像所包圍?！彪m然這種真實(shí)版的阿凡達(dá)不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，但既然大導(dǎo)演對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)這么感興趣，相信我們總會(huì)在影院看見更上一層的阿凡達(dá)世界。另外，作為傳輸顯示信息的媒體，VR在未來藝術(shù)領(lǐng)域方面所具有的潛在應(yīng)用能力也不可低估。VR所具有的臨場(chǎng)參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術(shù)（如油畫、雕刻等）轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的，可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術(shù)。另外，VR提高了藝術(shù)表現(xiàn)能力，如一個(gè)虛擬的音樂家可以演奏各種各

8、樣的樂器，手足不便的人或遠(yuǎn)在外地的人可以在他生活的居室中去虛擬的音樂廳欣賞音樂會(huì)等等。娛樂固然是走在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展隊(duì)伍前端的排頭兵，但誰都知道，一個(gè)人只有生存下來，才有可能去享受生活。無論是哪個(gè)年代，人們生活環(huán)境的安全總是第一位的，這就不得不說一下兩個(gè)重要的方面，軍事和醫(yī)療。而VR，也為人們的安全，做出了極大的貢獻(xiàn)。訓(xùn)練是一支軍隊(duì)必不可少的項(xiàng)目，然而真正的大規(guī)模訓(xùn)練免不了傷亡。這就需要模擬，模擬訓(xùn)練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個(gè)重要課題，這為VR提供了廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱為SIMNET的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)系統(tǒng)，以提供坦克協(xié)同訓(xùn)練，該系統(tǒng)可聯(lián)結(jié)20

9、0多臺(tái)模擬器。另外利用VR技術(shù)，可模擬零重力環(huán)境，替非標(biāo)準(zhǔn)的水下訓(xùn)練宇航員的方法。除去常規(guī)的訓(xùn)練可以用到VR技術(shù)，軍事的許多方面都離不開虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。尤其是近幾年，VR在軍事中滲透出幾個(gè)新的發(fā)展方面。有高新技術(shù)武器的研制開發(fā)、論證、評(píng)估及預(yù)測(cè)，“虛擬”軍事地圖，虛擬遠(yuǎn)程控制機(jī)械裝備等其他方面。就拿高新技術(shù)武器研發(fā)來詳細(xì)解說VR的作用，在高新技術(shù)武器開發(fā)的過程中大量地采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)者可方便自如地介入系統(tǒng)建模和仿真試驗(yàn)全過程，這樣縮短了武器系統(tǒng)的研制周期，并能對(duì)武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能進(jìn)行合理評(píng)估，從而使武器的性能指標(biāo)更接近實(shí)戰(zhàn)要求。同時(shí)在武器裝備的研制過程中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為用戶提供先

10、期演示，讓研制者和用戶同時(shí)進(jìn)入虛擬的作戰(zhàn)環(huán)境中操作武器系統(tǒng)。研制者和用戶能夠充分利用分布式交互網(wǎng)絡(luò)提供的各種虛擬環(huán)境，檢驗(yàn)武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)性能指標(biāo)及其操作的合理性。而在軍事地圖和虛擬遠(yuǎn)程控制機(jī)械裝備上，VR也是功力巨大。利用VR制作的“可進(jìn)入地圖”就已經(jīng)制作為成熟的系統(tǒng)。美軍還用這套系統(tǒng)對(duì)前往阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)的士兵進(jìn)行了專門訓(xùn)練，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中就重現(xiàn)了阿富汗的詳細(xì)地形。而VR的遠(yuǎn)程操控則更是避免了人身進(jìn)入那些如核區(qū)、污染區(qū)等高危地區(qū)，美國(guó)宇航局和歐洲空間局曾成功地將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡維修方面的地面訓(xùn)練。而對(duì)于生活在和平時(shí)代和平區(qū)域的我們，似乎軍事離我們還是遠(yuǎn)了

11、一些。然而無論是戰(zhàn)爭(zhēng)還是和平時(shí)期，醫(yī)療問題總是那個(gè)不想遇到卻天天遇到的問題。在醫(yī)學(xué)方面，VR具有十分重要的現(xiàn)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（頭戴式可視設(shè)備）、感覺手套，學(xué)生可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu)，這比現(xiàn)有的采用教科書的方式要有效得多。VR的應(yīng)用起到了降低成本與風(fēng)險(xiǎn)的作用。在醫(yī)學(xué)院校，學(xué)生可在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，進(jìn)行“尸體”解剖和各種手術(shù)練習(xí)。用這項(xiàng)技術(shù)，由于不受標(biāo)本、場(chǎng)地等的限制，所以培訓(xùn)費(fèi)用大大降低。外科醫(yī)生在真正動(dòng)手術(shù)之前，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助，能在顯示器上重復(fù)地模擬手術(shù)，移動(dòng)人體內(nèi)的器官，尋找最佳手術(shù)方案并提高熟練度，這將會(huì)大大降低了手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)性。在遠(yuǎn)距離遙控外科手術(shù)，復(fù)雜手術(shù)的計(jì)劃安排，手術(shù)過程的信息指導(dǎo)，手術(shù)后果預(yù)測(cè)及改善殘疾人生活狀況，乃至新藥研制等方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都能發(fā)揮十分重要的作用。相信當(dāng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛推廣至全民醫(yī)療的那一天，再不會(huì)有如此多令人悲痛欲絕的醫(yī)療事故，再能多見到一張張康復(fù)者的笑臉。當(dāng)然，上文所描述的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用方面只是九牛