淺談虛擬現(xiàn)實技術

1、淺談虛擬現(xiàn)實技術及應用虛擬現(xiàn)實，這是最近幾年飛速發(fā)展的新興技術。它就像一座橋梁，架起了虛擬程序和現(xiàn)實生活之間的通路。讓一切曾經我們想都不敢想的事情變成了現(xiàn)實。我們大學生目前還處在科技的底層，能接觸到的虛擬現(xiàn)實技術主要還是在娛樂方面，當英勇威猛的阿凡達駕馭飛龍摧城拔寨，當本應令人忍俊不禁的猩猩開始和人類刀戈相向，當我們感嘆這一切的神奇之時，我們不應該忘記虛擬現(xiàn)實技術的貢獻?？偟膩碚f，虛擬現(xiàn)實技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)。它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，本質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。本文章主要介紹如今虛擬現(xiàn)實技術對于生

2、產生活的應用，實現(xiàn)技術方面就不再多提，但是說到應用，就不能簡單介紹一下虛擬現(xiàn)實技術的特征，而這些特征，也是讓我們感到這種計算機技術很神奇卻很熟悉的原因。特征主要有四個，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，計算機一般只有視覺感知，而理想的虛擬現(xiàn)實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，也就是真實程度，最好達到使用戶難辨真假的程度。第三點是交互性，交互性是指用戶對模擬環(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，舉個例子，就是說如果在虛擬世界你被石頭砸到了頭，現(xiàn)實中你也會伴隨著頭疼。最后一個則是自主性，虛擬環(huán)境中的物體要

3、依據(jù)現(xiàn)實世界物理規(guī)律進行運動，就像現(xiàn)實中水向低處流，虛擬世界總不能反著來。這些特征注定了虛擬現(xiàn)實技術會有很廣泛的應用，無論是生活娛樂，還是科研生產，尤其是在一些現(xiàn)實中實現(xiàn)會有高成本或高風險的方面，虛擬現(xiàn)實技術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)實技術）的巨大威力。由于在娛樂方面對VR的真實感要求不是太高，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大型可供多人使用的VR娛樂系統(tǒng)，其主題是關于3025年的一場未來戰(zhàn)爭；英國開發(fā)的稱為“Virtuality”的VR游戲系統(tǒng)，配有HMD，大大增強了真實感；1992年的一臺稱為“Leg

4、eal Qust”的系統(tǒng)由于增加了人工智能功能，使計算機具備了自學習功能，大大增強了趣味性及難度，使該系統(tǒng)獲該年度VR產品獎。另外在家庭娛樂方面VR也顯示出了很好的前景。首先，重點介紹一下的電影里的VR，2010年阿凡達IMAX的突襲，代表著人類的視聽感官體驗進入了一個新的紀元。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（影片本身在真實場景中拍攝并由真人表演為主，但穿插應用大量虛擬場景及特效的影片）的一次空前展示，殊不知IMAX來襲預示著電影中虛擬現(xiàn)實技術更加成熟。在課上老師曾放過一個關于阿凡達電影拍攝的場景，身穿黑色緊身衣，身體各關節(jié)處貼著反光跟蹤器的動作演員，在數(shù)十臺高清攝

5、像機與數(shù)十個跟蹤點組成的三維立體的捕捉空間中，由Motion capture（運動捕捉）系統(tǒng)對演員動作進行實時捕捉，并記錄下每一個關節(jié)在三維空間中的位置與運動軌跡。而后，動作數(shù)據(jù)捕捉設備把采集到的動作數(shù)據(jù)進行處理，再把動作數(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作數(shù)據(jù)驅動下表演出真實流暢的動作。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的動作捕捉技術。它使非真實的虛擬角色動作看起來更加的生動自然。動作捕捉技術實現(xiàn)了傳感器捕捉人類自然動作，并輸入處理動作數(shù)據(jù)，階段性的實現(xiàn)了人機交互，再配以面部表情捕捉、人物在場景中的定位等各種技術保障了電

6、影拍攝的互動性與實時性，實現(xiàn)了實時人機互動。這也是虛擬現(xiàn)實的一種重要應用。在虛擬現(xiàn)實方面，阿凡達的創(chuàng)造者，著名導演詹姆斯·卡梅隆也有自己的獨到的見解?！拔冶救朔浅Ｏ胝业揭环N方法，能夠通過虛擬現(xiàn)實技術來提高電影制作的技術和體驗?！笨穫惐惶釂枙r表示，“因此當你有一個選擇可以體驗到更直接的敘述方式、更加個性化的途徑，并且這一切都是實時的，我認為這個過程將非常具有樂趣。雖然制作出能夠提供這樣體驗的電影需要投入巨額的資金和大量的精力，但是我依然認為這是非常有趣的嘗試?！笨仿а莸囊馑即蟾啪褪窍肱θ崿F(xiàn)一個完全現(xiàn)實版的阿凡達?！拔覍λ浅Ｓ信d趣?！笨仿≌f，“在接下來的一個月內，我將會仔細

7、研究一下這種技術。事實上，虛擬現(xiàn)實從某種途徑已經描述了我們之前在拍攝阿凡達時的工作方式。我們整天都在虛擬的環(huán)境下工作，并且已經使用過虛擬相機來創(chuàng)建所有的CG照片及影片，甚至我的周圍會被一整圈虛擬現(xiàn)實圖像所包圍?！彪m然這種真實版的阿凡達不會在短時間內出現(xiàn)，但既然大導演對虛擬現(xiàn)實技術這么感興趣，相信我們總會在影院看見更上一層的阿凡達世界。另外，作為傳輸顯示信息的媒體，VR在未來藝術領域方面所具有的潛在應用能力也不可低估。VR所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術（如油畫、雕刻等）轉化為動態(tài)的，可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術。另外，VR提高了藝術表現(xiàn)能力，如一個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等等。娛樂固然是走在虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展隊伍前端的排頭兵，但誰都知道，一個人只有生存下來，才有可能去享受生活。無論是哪個年代，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。訓練是一支軍隊必不可少的項目，然而真正的大規(guī)模訓練免不了傷亡。這就需要模擬，模擬訓練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個重要課題，這為VR提供了廣闊的應用前景。美國國防部高級研究計劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱為SIMNET的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)，以提供坦克協(xié)同訓練，該系統(tǒng)可聯(lián)結20

9、0多臺模擬器。另外利用VR技術，可模擬零重力環(huán)境，替非標準的水下訓練宇航員的方法。除去常規(guī)的訓練可以用到VR技術，軍事的許多方面都離不開虛擬現(xiàn)實技術的應用。尤其是近幾年，VR在軍事中滲透出幾個新的發(fā)展方面。有高新技術武器的研制開發(fā)、論證、評估及預測，“虛擬”軍事地圖，虛擬遠程控制機械裝備等其他方面。就拿高新技術武器研發(fā)來詳細解說VR的作用，在高新技術武器開發(fā)的過程中大量地采用虛擬現(xiàn)實技術，設計者可方便自如地介入系統(tǒng)建模和仿真試驗全過程，這樣縮短了武器系統(tǒng)的研制周期，并能對武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能進行合理評估，從而使武器的性能指標更接近實戰(zhàn)要求。同時在武器裝備的研制過程中，虛擬現(xiàn)實技術可以為用戶提供先

10、期演示，讓研制者和用戶同時進入虛擬的作戰(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絡提供的各種虛擬環(huán)境，檢驗武器系統(tǒng)的設計方案和戰(zhàn)術、技術性能指標及其操作的合理性。而在軍事地圖和虛擬遠程控制機械裝備上，VR也是功力巨大。利用VR制作的“可進入地圖”就已經制作為成熟的系統(tǒng)。美軍還用這套系統(tǒng)對前往阿富汗戰(zhàn)場的士兵進行了專門訓練，系統(tǒng)設計人員在系統(tǒng)設計中就重現(xiàn)了阿富汗的詳細地形。而VR的遠程操控則更是避免了人身進入那些如核區(qū)、污染區(qū)等高危地區(qū)，美國宇航局和歐洲空間局曾成功地將虛擬現(xiàn)實技術應用于對哈勃太空望遠鏡維修方面的地面訓練。而對于生活在和平時代和平區(qū)域的我們，似乎軍事離我們還是遠了

11、一些。然而無論是戰(zhàn)爭還是和平時期，醫(yī)療問題總是那個不想遇到卻天天遇到的問題。在醫(yī)學方面，VR具有十分重要的現(xiàn)實意義。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（頭戴式可視設備）、感覺手套，學生可以很容易了解人體內部各器官結構，這比現(xiàn)有的采用教科書的方式要有效得多。VR的應用起到了降低成本與風險的作用。在醫(yī)學院校，學生可在虛擬實驗室中，進行“尸體”解剖和各種手術練習。用這項技術，由于不受標本、場地等的限制，所以培訓費用大大降低。外科醫(yī)生在真正動手術之前，通過虛擬現(xiàn)實技術的幫助，能在顯示器上重復地模擬手術，移動人體內的器官，尋找最佳手術方案并提高熟練度，這將會大大降低了手術的風險性。在遠距離遙控外科手術，復雜手術的計劃安排，手術過程的信息指導，手術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(xiàn)實技術都能發(fā)揮十分重要的作用。相信當虛擬現(xiàn)實技術廣泛推廣至全民醫(yī)療的那一天，再不會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者的笑臉。當然，上文所描述的虛擬現(xiàn)實技術的應用方面只是九牛