关于空间虚拟现实的相关研究

周愈晨

摘 要：在计算机功技术日新月异的今天，资料的输出、输入不再是键盘、鼠标和显示器。空间虚拟现实技术(Virtual Reality)简称VR，是一种利用三维立体图形生成、多传感交互以及立体显示技术的集合，使用者通过多种设备，进入虚拟空间，并操纵场景中的对象进行人机交互。空间虚拟现实的兴起，为人机交互开创了新领域。如建筑，文物保护，医学等方面，将更高层次的虚拟互动世界带给用户。

关键词：虚拟现实空间技术人机互动

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2012)07(c)-0021-02

空间虚拟现实技术是利用计算机三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成逼真的三维虚拟环境，并通过使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的一门崭新的综合性信息技术。其目的是能让用户的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作，同时提供视，听，接触等，直观而又自然的感知。虚拟现实技术已广泛应用于航空航天、医学实习、建筑设计、军事训练、体育训练、娱乐游戏等许多领域。

1 理论背景

空间虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。“虚拟现实”一词是由美国VPL Research Inc公司的J.Lanier在1989年所创造的。它实时的三维空间表现能力，自然的人机交互式操作环境以及给人带来的身临其境感受，将从根本上改变人与计算机之间枯燥，生硬和被动的现状，为人机交互技术开创新的研究领域，并为我们创建和体验虚拟世界提供有力的支持，从而大大推进了计算机应用技术的发展。

1.1 虚拟现实技术的划分

根据用户参与VR的不同形式以及沉浸的程度不同，我们可以把各种类型的虚拟现实技术划分四类：(1)桌面级的虚拟现实技术。(2)投入的虚拟现实技术。(3)增强现实性的虚拟现实技术。(4)分布式虚拟现实技术。

由于受资金或是硬件本身性能限制，系统的计算速度、交互手段可能要受到影响，此时可以从软件上着手弥补缺陷，产生了许多用于优化软件的技术，例如基于静态图像的虚拟现实系统、虚拟仿真等。由于虚拟现实本身并不限制使用的技术范围，只要能达到目标，可以把各种技术有效地集成起来设计出一个成功的虚拟现实系统。

1.2 虚拟现实技术的定义

VR技术的定义可归纳为：由计算机产生的虚拟的环境，这种环境是由计算机构成的三维空间，或是加入其他现实环境从而产生逼真的“虚拟环境”，并通过多种设备让用户“投入”到该环境中，使用户在视觉，听觉，触觉，味觉等多种感官沉浸于虚拟环境的感觉。与传统的人机交互技术相比，虚拟现实具有三个最突出的特征：交互性，沉浸感和构想性。一个典型的虚拟现实系统主要包括以下五大组成部分：虚拟世界数据，计算机，虚拟现实软件，输入设备和输出设备。与虚拟世界交互的过程大致是：参与者首先激活头盔，手套和话筒等输入设备为计算机提供信号，虚拟现实软件收到由跟踪器和传感器送来的输入信号后加以计算，然后对虚拟环境数据库作必要的更新，调整当前的虚拟环境场景，并将这一新视点下的三维视觉图像以及其他(如声音，触觉，力反馈等)信息立即传送给相应的输出设备(头盔显示器，耳机，数据手套等)，以便参与者及时获得多种感官上的虚拟效果。

1．3 虚拟现实系统的设计要达到的目标

第一、要使参与者有“身临其境”的体验。这种体验就是“沉浸式”或“投入式”，即全身心地进入，简单地说就是产生在虚拟世界中的错觉。理想的虚拟环境应达到难以分辩真假的程度，让不可能成为可能。这种沉浸感的意义在于可以使用户集中注意力。为了达到这个目标，就必须具有多感知的能力，理想的虚拟现实系统应具备人类所具有的一切感知能力，包括视觉、听觉、触觉，甚至味觉和嗅觉。

第二、系统要能提供方便的、丰富的、主要是基于自然技能的人机交互手段。实时性是非常重要的，如果在交互时存在较大的延迟，与人的心理经验不一致，就谈不上以自然技能的交互，也很难获得沉浸感。为达到这个目标，高速计算和处理就必不可少。

参与者在虚拟环境中的活动或者经历有两种形式，一种是主观参与(First-person activities)(如图1)，另一种是客观参与(Second-person activities)(如图2)。主观参与时，参与者是整个经历的中心，一切围绕参与者进行；客观参与时参与者则可以在虚拟环境中看到他自己与其它物体的交互。

1.4 软件与硬件的结合

虚拟现实系统就是要利用各种先进的硬件技术及软件工具，设计出合理的硬件、软件及交互手段，使参与者能交互式地观察和操纵系统生成的虚拟世界。从概念上讲，任何一个虚拟现实系统都可以用三个“I”来描述其特性，这就是“沉浸（Immersion）”、“交互（Interaction）”和“想象（Imagination）”。这三个“I”反映了虚拟现实系统的关键特性，就是系统与人的充分交互，它强调人在虚拟现实环境中的主导作用。(如图3)

2 案例

2．1 Quicktime VR在虚拟现实的应用

现在的虚拟现实用户中使用比较广泛且方便的就是QuickTime VR，它是美国苹果公司在QuickTime技术基础之上开发的虚拟现实技术。

概括地讲是一种基于静态图像处理的，在微机平台上能够实现的初级虚拟现实技术。QuickTime VR属于桌面虚拟现实的一种。虽然它是初级的虚拟现实技术，但是由于QuickTime VR非常易于使用，用户在使用时不需要特殊的照相设备，无论是简单的照相机、专业级单反相机还是数字相机都可以满足需求。

所有的全景照片都可以直接输入计算机并被转换成QuickTime VR格式。用户可以手工调整图像，并且透明地查看交叠图像，这一特性为图像之间的精细调整提供了便利。(如图4)如图为了减少存储量，QuickTime VR提供了对QuickTime压缩算法的支持，它可以把QuickTime全景影片通过诸如JPEG等标准压缩程序压缩到50K以下。也正是由于这种新的压缩算法，用户才能够看到QuickTime VR导出的mov格式影片。

QuickTime VR提供了非常方便的编辑功能，用户可以通过简单的拖放操作，进行快速场景制作浏览。由于其容量较小，且是大多数电脑通用的mov的格式，很方便上传到互联网让大家观看，在带宽是1M的情况下普通的场景只需要大约10秒就可以在线观看，在作为宣传道具的功能就得到了很好的体现，为虚拟现实大众化铺平了道路。(如图5)

这种简便、廉价、兼容性高的特性使它得到入门级别虚拟现实所不可替代的地位，它的出现使得以往专业实验室中的成本昂贵的虚拟现实技术的应用普及有了广阔的前景。

QuickTime VR容量上的优势但最终导致了内容上的匮乏，虽然QuickTime VR技术使参与者可以自己控制体验的进程和顺序，但是参与者不能与所参与的场景或物品进行互动，这样就缺失了重要的趣味性，虽然丰富的画面但却一成不变的场景，无法感知的过去和将来失去了时间的意义，失去了与场景在同一空间的感觉，让人很难真正投身其中，而且QuickTime VR的使用者始终只能用一个视角参观产生视觉疲劳，从而失去对这个作品的兴趣。

3 结语

正如其它新兴学科技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。在教育方面可以让青少年更加了解祖国文化的博大精深，让他们重新建立起对中国古代文化的兴趣，真正做到从多个方面观赏国画。

空间虚拟现实的发展在，小区导航，建筑游览，博物馆游览等系统都已经发展，当然这些都是实物虚拟的作品，空间虚拟现实将来在平面作品上也将大有作为，在不久的将来，空间虚拟现实应该无所不在，可以让人到达所有向往的地方。

虚拟现实可以实现文化遗产的继承和重现，不仅能复制现存的东西，还能将仅存在人们记忆或者记载中的宝贵财富具象的展现给大家，既保护了文物，又让人们跨越时空，欣赏到稀世珍宝。对于考古研究，文物保护、复原，都具有不可小觑的作用。

现在的虚拟现实虽然已经趋于成熟，很多展示方式也已经趋于完美，但是所有的展示技术的基础，来自各种领域的研究与应用势必不断的推陈出新。仍旧停留在将图像投向视网膜上，或者用复杂的机械运作来模拟手指的触感，或许将来的虚拟现实技术能使使用者躺在沙发上，闭着眼睛也可以看到自己的故乡，曾经的风景，而且还能闻到故乡的味道，触摸得到故乡的一草一木。

当然，任何一种新技术的推广与应用，一方面要靠研究团队的不断努力、发展和完善该项技术，另一方面则就需要广大的使用者能更新他们的思想，积极接受，引入新技术。虚拟现实作为一门新兴的科学，目前也尚有诸多因素限制它的广泛应用但我们可以肯定地说，VR技术将会是继多媒体，计算机网络之后，成为最具有应用前景的“明星”技术，它将使21世纪的媒体发生质的变化。它的“沉浸性”，“交互性”与“构想性”，不但非常有利于人们构建一种全新，多变的环境和手段，而且为学习者提供了一种可以进行交互，直观，自主探索的学习环境和学习方法，从而激发学习积极性，在多方面提高媒体的质量和效果。同时，在Web站点上，虚拟授课，虚拟汽车工程，虚拟校园，虚拟战场等形式也将不可避免地出现在网络中，并以它们接近真实并高于真实的优势，在未来多媒体的领域中占有一席之地。因此，我们应该尽快认识到虚拟现实技术的应用价值，尝试在各个领域开发它，使用它。我们期待这有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。

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