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虛擬現(xiàn)實(iaual Reality,R)作為一種綜合計算機圖形
技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機交互技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、立
體顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多種科學技術(shù)而發(fā)展起來的計
算機領(lǐng)域的新技術(shù),目前所涉及的研究應用領(lǐng)域已經(jīng)包括軍
事、醫(yī)學、心理學、教育、科研、商業(yè)、影視、娛樂、制造業(yè)、工程
訓練等。R技術(shù)已經(jīng)被公認為是世紀重要的發(fā)展學科
以及影響人們生活的重要技術(shù)之一。
1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的內(nèi)涵與特征
R技術(shù)最早起源于年代的美國,發(fā)展至今也
還處于不斷探索階段。同時由于軟硬件環(huán)境的限制和研究
應用方向的不同,人們對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理解也仁者見仁智
者見智。綜合來說,R技術(shù)是一種綜合應用各種技術(shù)制造
逼真的人工模擬環(huán)境,并能有效地模擬人在自然環(huán)境中的各
種感知系統(tǒng)行為的高級的人機交互技術(shù)。虛擬環(huán)境通常是
由計算機生成并控制的,使用戶身臨其境地感知虛擬環(huán)境中
的物體,通過虛擬現(xiàn)實的三維設備與物體接觸,從而真正地
實現(xiàn)人機交互??梢哉f人處在虛擬環(huán)境之中跟現(xiàn)實環(huán)境是
沒有差別的R技術(shù)的發(fā)展始終圍繞它的三個特征而前進,即沉浸感、交互性和構(gòu)想。這三個重要特征與其相鄰近的技術(shù)(如
多媒體技術(shù)、計算機可視化技術(shù)等)相區(qū)別。沉浸感,是指計
算機生成的虛擬世界能給人一種身臨其境的感覺,如同進入
了一個真實的客觀世界;交互性,是指人能夠很自然地跟虛
擬世界中的對象進行交互操作或者交流;構(gòu)想,是指虛擬環(huán)
境可使人沉浸其中并且獲取新的知識,提高感性和理性認
識,從而深化概念并萌發(fā)新意。因而可以說,虛擬現(xiàn)實可以
啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維。
2 國外虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀
R技術(shù)最早在世紀中期由美國PL探索和它
的創(chuàng)始人Jamn IJaIlier提出這一概念,后來美國宇航局
(NASA)的艾姆斯空間中心利用流行的液晶顯示電視和其它
設備,開始研制低成本的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),推動了該技術(shù)硬件
的進步。目前,虛擬現(xiàn)實技術(shù)已獲得了長足的發(fā)展。在國
內(nèi),年代末開始進行研究,目前還處于初級階段。
2.1 美國虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究動態(tài)
美國作為R技術(shù)的發(fā)源地,其研究水平基本上就代表
國際R發(fā)展的水平。目前美國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究主要集
中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。美國宇航局(NASA)的Ames實驗室研究主要集中在以
下方面:將數(shù)據(jù)手套工程化,使其成為可用性較高的產(chǎn)品;在
約翰遜空間中心完成空間站操縱的實時仿真;大量運用了面
向座艙的飛行模擬技術(shù);對哈勃太空望遠鏡的仿真?,F(xiàn)在正
致力于一個叫“虛擬行星探索”(vPE)的試驗計劃o[3 3現(xiàn)在
NASA己經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護R訓練系統(tǒng),空間站R
訓練系統(tǒng),并且已經(jīng)建立了可供全國使用的R教育系統(tǒng)。
北卡羅來納大學(UNC)的計算機系是進行R研究最早
的大學,他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術(shù)仿真、
建筑仿真等。
Loma lAnda大學醫(yī)學中心的David Warner博士和他的研
究小組成功地將計算機圖形及R的設備用于探討與神經(jīng)疾
病相關(guān)的問題,首創(chuàng)了R兒科治療法。
麻省理工學院(MIT)是研究人工智能、機器人和計算機
圖形學及動畫的先鋒,這些技術(shù)都是R技術(shù)的基礎(chǔ),
年M1T成立了媒體實驗室,進行虛擬環(huán)境的正規(guī)研究。
華盛頓大學華盛頓技術(shù)中心的人機界面技術(shù)實驗室
(1ilT lab),將R研究引入了教育、設計、娛樂和制造領(lǐng)域。
從年代初起,美國率先將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于軍事領(lǐng)
域,主要用于以下四個方面:虛擬戰(zhàn)場環(huán)境;進行單兵模擬訓
練;實施諸軍兵種聯(lián)合演習;進行指揮員訓練。
2.2 英國和日本虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與開發(fā)
在R開發(fā)的某些方面,特別是在分布并行處理、輔助設
備(包括觸覺反饋)設計和應用研究方面,英國是領(lǐng)先的,尤
其是在歐洲。英國主要有四個從事R技術(shù)研究的中心:[4:
Windustries(工業(yè)集團),是國際R界的著名開發(fā)機
構(gòu),在工業(yè)設計和可視化等重要領(lǐng)域占有一席之地;British
Aerospace(英國航空BAe)的Brough分部,正在利用R
技術(shù)設計高級戰(zhàn)斗機座艙;Dimension International,是桌面R
的先驅(qū)。該生產(chǎn)了一系列的商業(yè)R軟件包,都命名為
Superscape;Divin LTD在開發(fā)ISION、Pro ision和su—
pervision系統(tǒng)/模塊化高速圖形引擎中,率先使用了Tmnsputer
和i技術(shù)。
日本主要致力于建立大規(guī)模R知識庫的研究,在虛擬
現(xiàn)實的游戲方面的研究也處于領(lǐng)先地位。
京都的先進電子通信研究所(ATR)正在開發(fā)一套系統(tǒng),
它能用圖像處理來識別手勢和面部表情,并把它們作為系統(tǒng)
輸入;富士通實驗室正在研究虛擬生物與R環(huán)境
的相互作用,他們還在研究虛擬現(xiàn)實中的手勢識別,已經(jīng)開
發(fā)了一套神經(jīng)網(wǎng)絡姿勢識別系統(tǒng),該系統(tǒng)可以識別姿勢,也
可以識別表示詞的信語言。_2 日本奈良尖端技術(shù)研究生院
大學教授千原國宏領(lǐng)導的研究小組于年開發(fā)出一種嗅
覺模擬器,只要把虛擬空間里的水果拉到鼻尖上一聞,裝置
就會在鼻尖處放出水果的香味,這是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在嗅覺研
究領(lǐng)域的一項突破。
3 我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀
我國R技術(shù)研究起步較晚,與國外發(fā)達國家還有一定
的差距,但現(xiàn)在已引起國家有關(guān)部門和科學家們的高度重
視,并根據(jù)我國的國情,制定了開展R技術(shù)的研究計劃。九
五規(guī)劃、國家自然科學基金委、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃等
都把R列入了研究項目。國內(nèi)一些重點院校,已積極投入
到了這一領(lǐng)域的研究工作。
北京航空航天大學計算機系是國內(nèi)最早進行R研究、
最有權(quán)威的單位之一,并在以下方面取得進展:著重研究了
虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理;在虛擬現(xiàn)實中的視
覺接口方面開發(fā)出部分硬件,并提出有關(guān)算法及實現(xiàn)方法;
實現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡設計,可以提供實時三維動態(tài)數(shù)
據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實演示環(huán)境、用于飛行員訓練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、
虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)的開發(fā)平臺等。
浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發(fā)出了一套桌面
型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng),還研制出了在虛擬環(huán)境中一
種新的快速漫游算法和一種遞進網(wǎng)格的快速生成算法;哈爾
濱工業(yè)大學已經(jīng)成功地虛擬出了人的高級行為中特定人臉
圖像的合成、表情的合成和唇動的合成等技術(shù)問題;清華大
學計算機科學和技術(shù)系對虛擬現(xiàn)實和臨場感的方面進行了
研究;西安交通大學信息工程研究所對虛擬現(xiàn)實中的關(guān)鍵技
術(shù)——立體顯示技術(shù)進行了研究,提出了一種基于JPEG標
準壓縮編碼新方案,獲得了較高的壓縮比、信噪比以及解壓
速度;北方工業(yè)大學CAD研究中心是我國最早開展計算機
動畫研究的單位之一,中國第一部完全用計算機動畫技術(shù)制
作的科教片《相似》就出自該中心。
4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展趨勢
R技術(shù)是高度集成的技術(shù),涵蓋計算機軟硬件、傳感器
技術(shù)、立體顯示技術(shù)等。R技術(shù)的研究內(nèi)容大體上可分為
R技術(shù)本身的研究和R技術(shù)應用的研究兩大類。
根據(jù)vR所傾向的特征的不同,目前虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要
劃分為四個層次:即桌面式、增強式、沉浸式和網(wǎng)絡分布式虛
擬現(xiàn)實。R技術(shù)的實質(zhì)是構(gòu)建一種人能夠與之進行自由交
互的“世界”,在這個“世界”中參與者可以實時地探索或移動
其中的對象。沉浸式虛擬現(xiàn)實是最理想的追目標,實現(xiàn)的
主要方式主要是戴上特制的頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套以及身體
部位跟蹤器,通過聽覺、觸覺和視覺在虛擬場景中進行體驗。
桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)被稱為“窗口仿真”,盡管有一定的局限
性,但由于成本低廉而仍然得到了廣泛應用。增強式虛擬現(xiàn)
實系統(tǒng)主要用來為一群戴上立體眼鏡的人觀察虛擬環(huán)境,性
能介于以上兩者之間,也成為開發(fā)的熱點之一??傮w上看,
縱觀多年來的發(fā)展歷程,R技術(shù)的未來研究仍將遵循“低成
本、高性能”這一原則,從軟件、硬件上展開,并將在以下主要
方向發(fā)展: J
4.1 動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)
虛擬環(huán)境的建立是R技術(shù)的核心內(nèi)容,動態(tài)環(huán)境建模
技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù),并根據(jù)需要建立相
應的虛擬環(huán)境模型。
4.2 實時三維圖形生成和顯示技術(shù)
三維圖形的生成技術(shù)已比較成熟,而關(guān)鍵是如何“實時
生成”,在不降低圖形的質(zhì)量和復雜程度的前提下,如何提高
刷新頻率將是今后重要的研究內(nèi)容。此外,R還依賴于立
體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)有的虛擬設備還不能滿足系
統(tǒng)的需要,有必要開發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術(shù)。
4.3 新型交互設備的研制
虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)人能夠自由地與虛擬世界中的對象進行
交互,猶如身臨其境,借助的輸入輸出設備主要有頭盔顯示
器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、三維位置傳感器和三維聲音產(chǎn)生器
等。因此,新型、便宜、魯棒性優(yōu)良的數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)服將成
為未來研究的重要方向。
4.4 智能化語音虛擬現(xiàn)實建模
虛擬現(xiàn)實建模是一個比較繁復的過程,需要大量的時間
和精力。如果將R技術(shù)與智能技術(shù)、語音識別技術(shù)結(jié)合起
來,可以很好地解決這個問題。我們對模型的屬性、方法和
一般特點的描述通過語音識別技術(shù)轉(zhuǎn)化成建模所需的數(shù)據(jù),
然后利用計算機的圖形處理技術(shù)和人工智能技術(shù)進行設計、
導航和評價,將基本模型用對象表示出來,并邏輯地將各種
基本模型靜態(tài)或動態(tài)地連接起來,最后形成系統(tǒng)模型。在各
種模型形成后進行評價并給出結(jié)果,并由人直接通過語言來
進行編輯和確認。
4.5 大型網(wǎng)絡分布式虛擬現(xiàn)實(Distributed irtual Reality,
DR)的應用
網(wǎng)絡分布式虛擬現(xiàn)實將分散的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)或仿真器
通過網(wǎng)絡聯(lián)結(jié)起來,采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標準、協(xié)議和數(shù)據(jù)
庫,形成一個在時間和空間上互相耦合的虛擬,合成環(huán)境,參
與者可自由地進行交互作用。目前,分布式虛擬交互仿真已
成為國際上的研究熱點,相繼推出了DIS、mA等相關(guān)標準。
網(wǎng)絡分布式R在航天中極具應用價值,例如,國際空間站的
參與國分布在世界不同區(qū)域,分布式R訓練環(huán)境不需要在
各國重建仿真系統(tǒng),這樣不僅減少了研制費設備費用,而且
也減少了人員出差的費用和異地生活的不適。
5 總結(jié)
虛擬現(xiàn)實技術(shù)是本世紀發(fā)展的重要技術(shù)之一,作為一門
科學和藝術(shù)將會不斷走向成熟,在各行各業(yè)中將得到廣泛應
用,并發(fā)揮神奇的作用,二十一世紀將是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的時
代。