虚拟现实技术概述

2019-05-23喻斌朱柯吴开腾

电脑知识与技术 2019年8期

喻斌朱柯吴开腾

摘要：虚拟现实技术是一项能够有效模拟现实情境并能进行人机交互的高级技术，集合人工智能、计算机图形学人机接口技术等多种技术，广泛应用于多个领域。本文介绍了虚拟现实技术的特征和分类，对相关的关键技术进行间接，并结合虚拟现实技术在国内外的发展现状及应用领域，对虚拟现实技术提出展望。

关键词：虚拟现实；特征；分类；现状；应用

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）08-0215-02

1 引言

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种运用计算机和电子软件，通过建模技术搭建虚拟场景，利用立体显示技术在各个平台上展现，结合传感器技术、人机交互技术、网络技术等实现包括视觉感知、听觉、触觉、力觉、运动等多种感知功能，并可输入各种动作数据，实现虚拟技术的沉浸感，达到人机交互的目的。

虚拟现实技术（Virtual Reality Technology，VRT）是一种与传统文字、声音及终端视频的简单信息获取技术不同的新技术，能够借助建模技术对现实环境进行模拟并结合相关传感设备，实现用户身临其境的感受，允许各种现实信息输入的功能，包括动作、语音等实现用户在虚拟环境下的可控性，达到虚拟现实的效果。在现在科技水平进步，人们生活水平及生活环境极其丰富的狀态下，广泛应用于包括教育、医疗、军事、娱乐等各个领域。

2 基本特征

虚拟现实技术最基本的特征为：沉浸感、交互感及想象感，1993年Burdea G[1]曾提出一个“虚拟现实技术的三角形”来表述其三个基本特征，即“3I”，分别是Immersion—Immersion，沉浸感是指通过借助特殊设备，使用户能够感到作为主角存在于模拟环境中，提供一种身临其境的感觉。它是虚拟现实系统的核心。

Interaction，交互性是指参与者可以通过人机交互及各种感应设备，在模拟环境中实现现实的动作行为，如体感游戏中实现跑、跳等，或在视频浏览中能够通过转动头部切换视频的视角等，是人机和谐的关键因素。

Imagination，想象性是指用户通过沉浸感及交互性，对虚拟环境和现实环境进行联想，了解其运动的规律性。

虚拟现实技术的三大基本特征：交互性、沉浸性及想象性，使用户能够沉浸在虚拟环境，又控制系统运动，超越现有的场景运动，有足够的想象空间，强调了人的主导作用，而沉浸和交互又是虚拟现实技术区别于其他相关技术，如三维动画等的本质区别。

3 一般分类

虚拟现实系统根据展现方式及操作方式不同，大致可分为四类，即：桌面式虚拟现实系统、增强式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统以及网络分布式虚拟现实系统[3]。桌面式主要使用PC端普通显示器或是立体显示器供用户观测虚拟情景，用户沉浸感较差；增强式虚拟现实系统能够使用户既能观测到虚拟环境又能看到真实环境；沉浸式一般借助于头盔式显示器、定位器等设备，增强用户在虚拟情景中的沉浸感；网络分布式虚拟现实系统可以借助网络等使位于不同地点的用户联系起来，对同一虚拟情境进行观察和操作。

4 关键技术

一个完整的虚拟现实技术需要提供虚拟环境、显示功能、人机交互等，这使得其关键技术主要包括以下几个部分：

1）动态环境建模技术：是虚拟现实技术实现的第一步，可利用相关软件结合相关现实环境的三维数据，进行虚拟环境的搭建，目前阶段应用较广泛的软件有3DS MAX、CAD、VRP等。

2）立体显示技术：当虚拟的三维环境构建完成后，若要被用户观测到，必须借助立体显示技术使之能够在各终端显示，如普通PC端、手机显示端、头盔设备等。

3）传感技术：若完成前两种功能，只能够达到用户能够被动的观察所构建的三维虚拟情景，并不能主动参与到其中，完成模拟现实的功能，因此，为达到这种功能，需要利用传感技术，实现人机交互的功能，并通过定位等实现自主的控制虚拟情景里的事物。

4）系统集成技术：系统集成技术是最关键的技术，相当于人体大脑，把各种技术按照一定规则进行协调、整合，使各相关技术均能协调合作，形成完整的VR系统。

5）应用系统开发工具及软件：制作一个完整的VR作品，需要借助一定的工具和软件，完成上述关键技术，目前虚拟现实技术应用较多的软件包括unity等。

5 研究现状

目前，美国和日本的虚拟现实技术处于世界领先水平。美国是VR技术的发源地，基本代表国际VR发展的水平，目前该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面[4]。实际上，虚拟现实技术起源于美国，1929年，Edwin Link进行了第一次模拟仿真实验，着手研究一种能够使乘坐者感受飞行感觉的飞行模拟器。1989年，Jaron Lanier首次正式提出“Virtual Reality”一词[5]，并被广泛接受，成为专用名词。日本主要致力于建立大规模VR知识库的研究以及虚拟现实的游戏方面的研究。NEC公司开发了一种虚拟现实系统，能让操作者都使用“代用手”去处理三维CAD中的形体模型，通过数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来；富士通实验室有限公司研究了虚拟生物与VR环境的相互作用，以及虚拟现实的手势识别，开发了一套神经网络姿势识别系统[6]。

和发达国家相比，我国的VR研究起步较晚，但随着科技进步，各个领域的快速发展，VR技术已经受到了越来越多的部门及专家的重视。其中，北京航空航天大学计算机系是国内最先进行VR研究的，目前，提供了用于飞行员训练的虚拟现实系统，开发虚拟现实应用系统的开发平台；中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体现图像对算法回显及软件接口[7]；清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究等。目前，各大重点高校重点部门都已在VR各技术方面进行相关研究，做出了很大贡献。

6 应用

虚拟现实技术的成熟和功能的强大，由于通过模拟的形式进行实验开发等能够节省时间和经济成本的优势，各个领域都积极引入虚拟现实技术。最初，虚拟现实技术主要应用与军事领域，目前，因其强大的功能性及适应性，遍及到商业、建筑、医疗、交通、教育和通信等诸多领域。

军事[8]应用主要包括虚拟战场环境、军事训练和武器装备的研制和开发等；虚拟现实技术在商业[9]上的应用最多集中于游戏开发等，包括Unity3D等游戏制作工具等，与虚拟现实技术相关的有模拟真实环境、实现与交互娱乐的结合，使游戏的感觉更感性；虚拟现实技术在临床医疗[10]中开展相关测试和手术教学实验，应用于手术培训、手术预演、临床诊断、远程干预、医学辅助教学等环节，罗伟等采用建模技术构建肝脏、胆囊等模型，逼真度极高，并通过虚拟手术对学生进行教学，取得了一定的成果，还有在心理治疗方面取得了很大的成果，如自闭症儿童的VR游戏治疗等；在建筑[11]方面，区别于传统的二维建模手段，以3DSMAX为代表的三维建模软件使得建筑行业进入3维时代，不再利用立面、剖面等各个平面进行建模，能更有效地对图形进行设计及修改，但不能进行交互，虚拟现实技术使得人们可以走进一个完全基于真实世界的虚拟空间之中，更加真实详尽的感受三维世界；虚拟现实技术在交通行业的应用，促进了交通仿真技术的进步，杨晓光等[12]把虚拟现实应用于交通工程实验之中，能够清楚直观地再现现实环境的交通流，有利于试验结构及结论的优化；虚拟现实教育技术方面的研究主要表现为虚拟仿真效应，天津大学在国内最早开发了基于VRML国际标准的虚拟校园，成为这一领域的先驱，其后，还有浙江大学中央广播电视大学远程教育学院等进行了应用。

7 展望

虚拟现实技术是一项利用多项技术实现虚拟情景构建及人机交互的高级技术，由于该技术沉浸感、交互性和想象性的特征及强大功能使其在多个领域中都得到了广泛应用并取得了一定的成果。

客观地说，虚拟现实技术的发展目前来说还不够成熟，主要在建模时间较长，实时性需要有所提升；感官体验不强，如有的头盔式设备长时间携带会造成体验者头晕的状况，定位感应系统不够灵敏等状况。未来VR技术的发展还需要在软件和硬件方面加深研究，使环境模拟和体验效果能够更加符合现实及增强舒适性。

参考文献：

[1] 牟长军，童志伟.综述虚拟现实技术及其应用[J].Equipment Manufactring Technology NO.1，2007：63-65.

[2] 汪成為，高文，王行仁.灵境（虚拟现实）技术的理论、实现及应用[M].清华出版社，1996：5-6.

[3] 李敏，韩丰.虚拟现实技术综述[J].软件导刊，2010：142-144.

[4] 姜学智，李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].2004：238-240.

[5] 杨江涛.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J].信息通信.2015：138.

[6] 姜学智，李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报，2004：238-240.

[7] 吴迪，黄文骞.虚拟现实技术的发展过程及研究现状[J].海洋测绘，2002：15-17.

[8] 蒋一，魏骏，虚拟现实技术及其在军事领域的应用[J].国外电子测量技术，2007（1）：43-45.