何國(guó)濤

(西華大學(xué)，四川 成都 610039)

虛擬現(xiàn)實(shí)

何國(guó)濤

(西華大學(xué)，四川 成都 610039)

虛擬現(xiàn)實(shí)是近年來(lái)新興的具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于娛樂(lè)游戲，建筑設(shè)計(jì)，醫(yī)療等領(lǐng)域。本文從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念，特性，應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā)，介紹了實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)所必需的關(guān)鍵技術(shù)，然后又介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)的近期的熱點(diǎn)研究方向，比如三維模型檢索技術(shù)，三維模型水印技術(shù)，分布式虛擬環(huán)境通信等技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)；系統(tǒng)；技術(shù)；虛擬環(huán)境

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，VR一詞創(chuàng)始于20世紀(jì)80年代，該技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感器技術(shù)、動(dòng)力學(xué)、光學(xué)、人工智能及社會(huì)心理學(xué)等研究領(lǐng)域，是多媒體和三維技術(shù)發(fā)展的更高境界。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境，是一種新的人機(jī)交互接口。具體地說(shuō)，就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境(Virtual Environment，簡(jiǎn)稱VE)，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)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)生成的逼真的視覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)，觸覺(jué)一體化的虛擬環(huán)境，用戶可以通過(guò)必要的輸入輸出設(shè)備與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互，相互影響，進(jìn)而獲得身臨其境的感受與體驗(yàn)。這種由計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境可以是某一特定客觀世界的再現(xiàn)，也可以是純粹虛構(gòu)的世界。輸入輸出設(shè)備包括立體頭盔顯示器，數(shù)據(jù)手套，數(shù)據(jù)衣服等穿戴式設(shè)備，還包括不直接穿戴在身上的傳感設(shè)備。用戶對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的交互包括手的移動(dòng)，頭的轉(zhuǎn)動(dòng)等，虛擬現(xiàn)實(shí)中的物體能做出實(shí)時(shí)的反饋。

虛擬現(xiàn)實(shí)有三個(gè)特性，它們分別是沉浸性，交互性，想象性。沉浸性，是指用戶感覺(jué)到好像完全處于虛擬現(xiàn)實(shí)中一樣，被虛擬世界包圍。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)可以讓用戶難辨真假。交互性，是指用戶與虛擬世界以自然的方式進(jìn)行交互，通過(guò)人的肢體運(yùn)動(dòng)以及特定的硬件設(shè)備感受來(lái)自虛擬世界的實(shí)時(shí)反饋。想象性，是指虛擬環(huán)境是人想象出來(lái)的，同時(shí)這種想象體現(xiàn)了設(shè)計(jì)中的相應(yīng)的思想，因而可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的目標(biāo)。

虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，可以用在軍事，醫(yī)學(xué)，娛樂(lè)，學(xué)習(xí)，科技開(kāi)發(fā)等等領(lǐng)域。醫(yī)療領(lǐng)域如虛擬手術(shù)系統(tǒng)，用于指導(dǎo)手術(shù)的進(jìn)行。軍事領(lǐng)域，如利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬戰(zhàn)爭(zhēng)來(lái)研究作戰(zhàn)方案，培訓(xùn)指導(dǎo)員等。娛樂(lè)領(lǐng)域，如玩家通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔得到震撼的游戲體驗(yàn)。學(xué)習(xí)領(lǐng)域，比如遠(yuǎn)程沉浸學(xué)習(xí)，協(xié)同學(xué)習(xí)等。首先我們提出為什么要研究虛擬仿真的問(wèn)題，因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題不搞清，我們就很難有意愿深入的學(xué)習(xí)這門新興的科學(xué)。

虛擬現(xiàn)實(shí)的主要實(shí)現(xiàn)方法是借助必要的裝備，實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境之間的信息轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境之間的自然交互與作用。在闡述了什么是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，我們將進(jìn)一步給出它的定義。通常虛擬現(xiàn)實(shí)的定義分為狹義和廣義兩種

2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類

(1)沉浸型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(Immersive VR)：沉浸型虛擬系統(tǒng)是一套比較復(fù)雜的系統(tǒng)。使用者必須頭戴頭盔(HMD)、手帶數(shù)據(jù)手套等傳感跟蹤裝置，才能與虛擬世界進(jìn)行交互。由于這種系統(tǒng)可以將使用者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)與外界隔離，從而排除外界干擾，全身心地投入到虛擬現(xiàn)實(shí)中去。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是用戶可完全沉浸到虛擬世界中去，缺點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格昂貴，難以普及推廣。常見(jiàn)的沉浸型系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

(2)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：不僅是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界、仿真現(xiàn)實(shí)世界，而且要利用它來(lái)增強(qiáng)參與者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，也就是現(xiàn)實(shí)中無(wú)法感知或不方便的感受。典型實(shí)例是戰(zhàn)斗機(jī)飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數(shù)和武器瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)投身到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而可集中精力盯著敵人的飛機(jī)。

(3)桌面型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(Desktop VR)：是利用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站進(jìn)行仿真，將計(jì)算機(jī)的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的窗口。使用者通過(guò)各種輸入設(shè)備便可與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，這些外部設(shè)備包括鼠標(biāo)、追蹤球、力矩球等。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，易于普及推廣，缺點(diǎn)是缺乏真實(shí)的現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。常見(jiàn)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有：基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)Quick Time VR(由蘋果公司推出的快速虛擬系統(tǒng)，是采用360度全景拍攝來(lái)生成逼真的虛擬情景，用戶在普通的電腦上，利用鼠標(biāo)和鍵盤，就能真實(shí)地感受到所虛擬的情景)、虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言(VRML，Virtual Reality Modeling Language)等。

(4)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(Distributed VR)：是將異地的不同用戶聯(lián)結(jié)起來(lái)，共享一個(gè)虛擬空間，多個(gè)用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)同一虛擬世界進(jìn)行觀察和操作，達(dá)到協(xié)同工作的目的。例如，異地的醫(yī)科學(xué)生，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)虛擬手術(shù)室中的病人進(jìn)行外科手術(shù)。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)未來(lái)

虛擬現(xiàn)實(shí)是一門很有前景的高新技術(shù)。本文首先介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)的概念，特征以及應(yīng)用領(lǐng)域。然后對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，包括立體顯示技術(shù)，環(huán)境建模技術(shù)，自然交互技術(shù)等。本文還對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)三維模型檢索技術(shù)，數(shù)字版權(quán)管理，分布式虛擬現(xiàn)實(shí)通信這三個(gè)關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)的熱門研究方向進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。最后還談了對(duì)這門課程的收獲與期望。

我對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)這門課程的建議是，能介紹更多最新的虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)的產(chǎn)品，比如微軟，索尼等公司新出的與虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)的游戲設(shè)備等。還希望課程在硬件設(shè)備方面的介紹能少一點(diǎn)，多一些關(guān)鍵技術(shù)方面的介紹。

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何國(guó)濤(1993—)，男，漢族，四川成都人，西華大學(xué)，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)。

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