浅谈虚拟现实技术的发展及应用

2018-12-20胡章荣西华师范大学教育信息技术中心

数码世界 2018年11期

胡章荣西华师范大学教育信息技术中心

1 虚拟现实的概念

虚拟现实技术是以计算机技术为平台，利用并综合三维图像技术、多媒体技术、仿真技术、传感器技术、显示技术、伺服技术等多种高科技最新成果。利用计算机等多种设备为人类创建一个虚拟空间，在这个虚拟空间里，用户可以跟任何事物进行自然交互，并向参与者传导视觉、听觉、触觉、嗅觉、导航漫游等身临其境的感受，使参与者能够与虚拟现实环境中的三维实体进行交互和感知，亲身体验在虚拟现实世界遨游的神秘、浩瀚感受。

2 虚拟现实技术的发展

VR的最早起源于19世纪起的360°壁画和全景图，通过绘画填充观看者的整个视野，使他们感受到一些历史事件或场景。在1838年，Charles Wheatstone利用双目视差原理发明出了可以看出立体画面的立体镜，通过立体镜观察两个并排的立体图像或照片给用户提供纵深感和沉浸感。1849年David Brewster以凸透镜取代立体镜中的镜子发明了改良型的立体镜，而且立体镜的设计原理也应用于当今较为流行的3D立体视觉模拟技术和低廉的VR头戴式显示器，它们都是通过计算机技术和显示成像技术对左右眼分别提供一组视角不同的画面来营造出双目视差的环境，从而让人感觉到立体画面。1929年，Edward Link发明了历史上第一个纯机电的商业飞行模拟器，它由连接到方向舵和转向柱的电动机控制，以修改俯仰和滚转。1960年Morton Heilig 发明了第一个VR头戴式显示器，它给观众带来完全真实的感觉，比如移动彩色三维图像、沉浸其中的视角、立体的声音、气味和空气流动的感觉。第二年，工程师Comeau和Bryan开发了第一个HMD的前驱物—Headsight，尽管Headsight缺乏计算机和图像生成的集成，但它仍是VR头戴式显示器演变的第一步。1965年，计算机图形学之父和虚拟现实之父Ivan Sutherland发表了一篇题为“Ultimate Display”的论文，文章指出，应该将计算机显示屏幕作为“一个观察虚拟世界的窗口”，计算机系统能够使该窗口中的景象、声音、事件和行为非常逼真。1968年，Ivan和他的学生Bob Sproull创建了第一款连接到计算机而不是相机的VR/AR头戴显示器, 被称为“达摩克利斯之剑”。1969美国计算机艺术家、互动艺术家从事了许多计算机互动的工作，其中包括GlowFlow。GlowFlow是一个由计算机控制，以人响应作为输入的环境，是早期虚拟现实环境原型。1987年美国VPL公司研发出了一系列虚拟现实设备，包括Dataglove和EyePhone头戴式显示器和手套，其创建人Jaron Lanier提出了VR概念。

3 虚拟现实的特征

模拟出真实空间，让用户沉浸其中，并与环境自然交互，激发用户想象，寻求问题解决方案是虚拟现实的主要功能之一。虚拟现实只有同时具备沉浸性、交互性和想像性才能让用户体验更真实的感受。(1)沉浸性,虚拟现实最主要的特征就是让用户感觉就像置身于真实世界中一样，并可以通过视觉感知，听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、味觉感知、嗅觉感知等感知系统与虚拟世界中的情景进行自然交互。理想的虚拟环境足以以假乱真，达到难以辨别真假的程度，甚至超越真实，实现比现实更逼真的照明和音响效果。(2)交互性,用户可以借助VR系统中的特殊设备（如数据手套、虚拟现实头戴式显示设备等）使参与者能够与虚拟现实环境中的三维实体进行交互和感知，亲身体验在虚拟现实世界遨游的神秘、浩瀚感受。与过去通过鼠标、键盘等手工方式与计算机系统进行交互相比而言，在VR中，用户完全沉浸在虚拟世界中，无法感知计算机的存在，用户的一些自然的动作，如脚的走动、头的转动、手的移动等，都会通过传感器传导给VR系统，做出实时响应。(3)想像性,VR不仅仅是一个交互窗口或交互界面，同时它还是为解决生活中的实际问题而由开发者设计出来的应用软件。是为发挥设计者想象和创新性而设计的，为人类认识世界提供的一种全新的方法和手段，可以使人类跨越时间与空间，去经历和体验世界上早已发生或尚未发生的事件；也可以模拟因条件限制等原因而难以实现的事情。

4 VR的应用

目前虚拟现实技术的应用面较广，涉及军事、航空、教育、建筑、医学、工业、文化、艺术与娱乐等领域。

4.1 VR在应急推演

对于一些具有一定危险性的行业，如消防、电力、石油、矿产、航空、军事等，为了在事故发生时将损失降到最低，就会对各种设备的运行情况及灾难发生时的情景进行定期推演。但这种推演会耗费大量的人力、物力和财力，不能频繁进行。虚拟现实的出现为应急演练提供了一种全新的方式，将现实环境模拟到虚拟场景中去，人为制造各种事故，安排人员对事故做出正确的反应。降低演练成本，提高演练频率，使演练不受时间和空间的限制，扩大演练范围和人员数量，提高对灾难的应对能力，减少灾难造成的损失。

4.2 VR在医学应用

VR在教学和医疗手术中具有重要意义。在虚环境模拟人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，学生可以很直观了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。在90年代初Pieper和Satara等人设计了一个用于腿部及腹部外科手术模拟的虚拟外科手术训练器。并在这里虚拟了手术台和手术灯，人体模型与器官，外科工具（如手术刀、注射器、手术钳等）等。使用者可以借助HMD及感觉手套对虚拟的人体模型进行手术。为了打破空间限制，可以增加网络功能，让多个使用者在外地专家的指导下学习或协同工作。通过虚拟手术训练器不仅可以提高使用者的技能，而且还能使医疗资源得到充分共享，降低医疗成本，提高医术水平。

4.3 VR在游戏中的应用

游戏对虚拟现实技术的发展起了巨大的推动作用，电脑游戏自产生以来，一直都在朝着虚拟现实的方向发展，虚拟现实技术发展的最终目标已经成为三维游戏工作者的崇高追求。虽然还有很对技术问题没有解决，但在激烈的竞争中，越来越多的新技术得到了重视，并在游戏中得以应用。随着虚拟现实技术的发展，游戏在保持其实时性和交互性的同时，逼真度和沉浸感方面正在一步步提高和加强，并已从最初的文字MUD游戏开始，经历二维游戏、三维游戏，发展到网络三维游戏了。我们相信，随着三维技术的快速发展和软硬件技术的不断进步，在不远的将来，真正意义上的虚拟现实游戏必将为人类娱乐、教育和经济发展做出新的更大的贡献。