虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)

1、虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)在虛擬空間中進(jìn)行三維設(shè)計(jì)隨著科技的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)世界日益與現(xiàn)實(shí)世界重疊。而虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)將現(xiàn)實(shí)徹底地、立體地虛擬化，人們將身在“太虛幻境”中，親自感受物質(zhì)生活外的虛擬時(shí)空。今年 8 月 7 日到 9 日，在美國(guó)加州圣地亞哥市舉辦的SIGGRAPH 2007的展會(huì) (詳見本報(bào)第62 期 C5 版相關(guān)報(bào)道 )上，GrImage(Grid and Image)技術(shù)引起了眾多參會(huì)者的興趣，而它所代表的其實(shí)是虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)交互技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)是一門新興的綜合信息技術(shù)，融合了數(shù)字圖像處理、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感器技術(shù)等多方面信息技術(shù)。它通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形

2、學(xué)構(gòu)成三維數(shù)字模型，產(chǎn)生逼真的虛擬環(huán)境，在視覺上給用戶一種立體的虛擬環(huán)境。與通常的CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))系統(tǒng)所產(chǎn)生的三維模型不同，它不是一個(gè)靜態(tài)的世界，而是一個(gè)互動(dòng)的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)主要有以下四個(gè)特征：第一，強(qiáng)烈的臨場(chǎng)感。用戶在模擬環(huán)境中，能夠感到虛擬世界是真實(shí)存在的。第二，友好的交互性。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。例如，用戶用手直接抓取環(huán)境中的物體時(shí)，手里會(huì)有握著東西的感覺，并可以感覺到物體的重量，視場(chǎng)中的物體也隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。第三，多感知性。除了具有一般計(jì)算機(jī)的視覺感知外，還具備聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知 ,甚至包括味覺感知

3、、嗅覺感知等。第四，虛擬現(xiàn)實(shí)世界的自主性。也就是說(shuō)虛擬環(huán)境中的物體會(huì)依據(jù)物理定律進(jìn)行動(dòng)作。技術(shù)基礎(chǔ)具體講，虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)就是使用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技，生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生與親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。那么，這種虛擬的真實(shí)世界是如何形成的呢？首先，需要生成虛擬實(shí)體，虛擬實(shí)體主要是針對(duì)用戶的生理感覺而言；其次，用戶通過(guò)人生理的自然技能同這個(gè)環(huán)境進(jìn)行交互；最后，利用傳感器完成人和虛擬環(huán)境的交互。從系統(tǒng)上看，虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)包括檢測(cè)模塊、反饋模塊、傳感器模塊、控制模塊以及建模模塊

4、等。在該系統(tǒng)中，主要采用了動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)及系統(tǒng)集成技術(shù)。動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。使用動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)可以獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并利用獲得的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。 采用 CAD 技術(shù)或非接觸式的視覺建模技術(shù)獲取三維數(shù)據(jù)，兩者的有機(jī)結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。該技術(shù)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成虛擬世界的基礎(chǔ)。實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)。三維圖形生成技術(shù)的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生成。為了達(dá)到實(shí)時(shí)的目的，在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的前提下，要保證圖形刷新率不低于 15 幀/ 秒，最好是高于 30 幀/ 秒。立體顯示和傳感器技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力主要依靠立體顯示

5、和傳感器技術(shù)。現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需要，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍都有待提高。用戶通過(guò)傳感裝置可以直接對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行操作，并得到實(shí)時(shí)的三維顯示和反饋信息 (如觸覺、力覺反饋等 )?？臻g跟蹤，主要是通過(guò) HMD(頭盔顯示器 )、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等交互設(shè)備上的空間傳感器，確定用戶的頭、手、軀體或其他操作物在虛擬環(huán)境中的位置和方向。聲音跟蹤，利用不同聲源的聲音到達(dá)某一特定地點(diǎn)的時(shí)間差、相位差、聲壓差等進(jìn)行虛擬環(huán)境的聲音跟蹤。視覺跟蹤，使用從視頻攝像機(jī)到平面陣列、周圍光或者跟蹤光在圖像投影平面不同時(shí)刻和不同位置上的投影，計(jì)算被跟蹤對(duì)象的位置和方向。系統(tǒng)集成技術(shù)。由于虛擬現(xiàn)實(shí)

6、中包括了大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)變得至關(guān)重要。集成技術(shù)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)、數(shù)據(jù)管理模型和識(shí)別技術(shù)等。發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，主要集中在工程設(shè)計(jì) CAD、數(shù)據(jù)可視化、飛行模擬、多媒體遠(yuǎn)程教育、臨床外科、遠(yuǎn)程醫(yī)療、藝術(shù)創(chuàng)作和娛樂(lè)等方面。軍事領(lǐng)域是最早研究和應(yīng)用該技術(shù)的。早在1983 年，美國(guó)陸軍就曾制定了虛擬環(huán)境研究計(jì)劃。它將分散在不同地點(diǎn)的坦克、車輛仿真器通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合在一起，形成一個(gè)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，進(jìn)行各種復(fù)雜任務(wù)的訓(xùn)練和作戰(zhàn)演練等。從 1994 年開始，美國(guó)陸軍與美國(guó)大西洋司令部合作建立了一個(gè)包括海陸空所有兵種，有3700

7、 多個(gè)仿真實(shí)體參與的，地域范圍覆蓋500km 750km 范圍的軍事演練環(huán)境。在醫(yī)療方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更是大有作為，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)在虛擬環(huán)境中建立虛擬的人體模型，借助 HMD 、跟蹤球、 感覺手套等設(shè)備， 醫(yī)生就會(huì)很容易了解人體內(nèi)部各器官的結(jié)構(gòu)。 20 世紀(jì) 90 年代初， Pieper 和 Satara等研究者基于 SGI工作站，建立了一個(gè)虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器，用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個(gè)訓(xùn)練器虛擬了真實(shí)的手術(shù)臺(tái)與手術(shù)燈、外科工具(如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等)和人體模型器官等。借助于HMD 及感覺手套，使用者可以對(duì)虛擬的人體模型實(shí)施手術(shù)。隨著該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，必將會(huì)減少

8、手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，大大造福患者。結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的GrImage 柵格影像技術(shù)因?yàn)槿诤狭艘曈X效果、物理仿真和實(shí)時(shí)功能，也是新一代虛擬空間應(yīng)用的重要方面。這項(xiàng)技術(shù)使用了多種復(fù)雜軟件，通過(guò)精確的3D 數(shù)據(jù)運(yùn)算，建立了高質(zhì)量的3D 建模。在物理仿真方面使用了 SOFA軟件，根據(jù)物體的曲線圖構(gòu)建多種實(shí)體模型，包括可變形的模型和碰撞模型等等。當(dāng)把任何一件物品放入作用空間中時(shí)， GrImage 就會(huì)立刻在虛擬空間中進(jìn)行三維建模，變成或軟或硬的虛擬物體。虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)可以把虛擬物體變成我們可觸及的東西，你可以推、抓，甚至擠壓他們。它能在相互空間中俘獲真實(shí)物件，利用三維建模實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的虛擬克隆，變成用戶可觸及的東西，縮短生活中重要的人員、地點(diǎn)和活動(dòng)之間的距離 (社區(qū)、工作地點(diǎn)、玩游戲、教學(xué)等 )。通過(guò)使用這項(xiàng)技術(shù)，我們可以在虛擬世界中實(shí)現(xiàn)更多的驚奇體驗(yàn)，比如在虛擬空間中見面握手。也許，你會(huì)認(rèn)為虛擬化現(xiàn)實(shí)技術(shù)離我們的生活仍然很遙遠(yuǎn)。但是實(shí)際上，目前世界許多公司已經(jīng)使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的網(wǎng)上宣傳了?？蛻敉ㄟ^(guò)鼠標(biāo)、鍵盤等簡(jiǎn)單操作就可以了解到產(chǎn)品的詳細(xì)情況。比如海爾公司的冰王子電冰箱，客戶只需在網(wǎng)頁(yè)上，使用鼠標(biāo)拖拽旋轉(zhuǎn)冰箱；單擊冰箱門可以打開冰箱，再單擊關(guān)閉；可以任意抽拉里面的部件；使用控制按鈕可以控制冰箱執(zhí)行動(dòng)畫演示以及規(guī)定的展