VR技術(shù)基本常識

 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)多媒體技術(shù)傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。模擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應(yīng)該具有一切人所具有的感知。除計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)所生成的視覺感知外，還有聽覺、觸覺、力覺、運(yùn)動(dòng)等感知，甚至還包括嗅覺和味覺等，也稱為多感知。自然技能是指人的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，眼睛、手勢、或其他人體行為動(dòng)作，由計(jì)算機(jī)來處理與參與者的動(dòng)作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對用戶的輸入作出實(shí)時(shí)響應(yīng)，并分別反饋到用戶的五官。傳感設(shè)備是指三維交互設(shè)備。

發(fā)展歷史

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)演變發(fā)展史大體上可以分為四個(gè)階段有聲形動(dòng)態(tài)的模擬是蘊(yùn)涵虛擬現(xiàn)實(shí)思想的第一階段(1963)年以前虛擬現(xiàn)實(shí)萌芽為第二階段(1963 -1972 )虛擬現(xiàn)實(shí)概念的產(chǎn)生和理論初步形成為第三階段(1973 -1989 )虛擬現(xiàn)實(shí)理論進(jìn)一步的完善和應(yīng)用為第四階段(1990 -2004 )。

特征

多感知性

指除一般計(jì)算機(jī)所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知，甚至還包括味覺、嗅覺、感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。

虛擬現(xiàn)實(shí)存在感

指用戶感到作為主角存在丁模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難辨真假的程度。

虛擬現(xiàn)實(shí)交互性

指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。

虛擬現(xiàn)實(shí)自主性

指虛擬環(huán)境中的物體依據(jù)現(xiàn)實(shí)世界物理運(yùn)動(dòng)定律動(dòng)作的程度。

關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)是多種技術(shù)的綜合，包括實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，廣角(寬視野)立體顯示技術(shù)，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù)，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網(wǎng)絡(luò)傳輸、語音輸入輸出技術(shù)等。下面對這些技術(shù)分別加以說明。

實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形

相比較而言，利用計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準(zhǔn)確的模型，又有足夠的時(shí)間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)。例如在飛行模擬系統(tǒng)中，圖像的刷新相當(dāng)重要，同時(shí)對圖像質(zhì)量的要求也很高，再加上非常復(fù)雜的虛擬環(huán)境，問題就變得相當(dāng)困難。

虛擬現(xiàn)實(shí)顯示

人看周圍的世界時(shí)，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子里融合起來，就形成了一個(gè)關(guān)于周圍世界的整體景象，這個(gè)景象中包括了距離遠(yuǎn)近的信息。當(dāng)然，距離信息也可以通過其他方法獲得，例如眼睛焦距的遠(yuǎn)近、物體大小的比較等。

在VR系統(tǒng)中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統(tǒng)采用單個(gè)顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數(shù)幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數(shù)幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產(chǎn)生了立體感。

用戶(頭、眼)的跟蹤：在人造環(huán)境中，每個(gè)物體相對于系統(tǒng)的坐標(biāo)系都有一個(gè)位置與姿態(tài)，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭(眼)的方向來確定的。

跟蹤頭部運(yùn)動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)頭套：在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)中，視場的改變是通過鼠標(biāo)或鍵盤來實(shí)現(xiàn)的，用戶的視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)是分離的，而利用頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來，感覺更逼真。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認(rèn)識環(huán)境，而且可以通過頭部的運(yùn)動(dòng)去觀察環(huán)境。

在用戶與計(jì)算機(jī)的交互中，鍵盤和鼠標(biāo)是目前最常用的工具，但對于三維空間來說，它們都不太適合。在三維空間中因?yàn)橛辛鶄€(gè)自由度，我們很難找出比較直觀的辦法把鼠標(biāo)的平面運(yùn)動(dòng)映射成三維空間的任意運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)在，已經(jīng)有一些設(shè)備可以提供六個(gè)自由度，如3Space數(shù)字化儀和SpaceBall空間球等。另外一些性能比較優(yōu)異的設(shè)備是數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣。

虛擬現(xiàn)實(shí)聲音

人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強(qiáng)度的差別來確定聲音的方向，因?yàn)槁曇舻竭_(dá)兩只耳朵的時(shí)間或距離有所不同。常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來實(shí)現(xiàn)的，所以會(huì)有一種方向感?，F(xiàn)實(shí)生活里，當(dāng)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，聽到的聲音的方向就會(huì)改變。但目前在VR系統(tǒng)中，聲音的方向與用戶頭部的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。

虛擬現(xiàn)實(shí)感覺反饋

在一個(gè)VR系統(tǒng)中，用戶可以看到一個(gè)虛擬的杯子。你可以設(shè)法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內(nèi)層安裝一些可以振動(dòng)的觸點(diǎn)來模擬觸覺。

虛擬現(xiàn)實(shí)語音

在VR系統(tǒng)中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環(huán)境能聽懂人的語言，并能與人實(shí)時(shí)交互。而讓計(jì)算機(jī)識別人的語音是相當(dāng)困難的，因?yàn)檎Z音信號和自然語言信號有其“多邊性”和復(fù)雜性。例如，連續(xù)語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，同一詞、同一字的發(fā)音受前后詞、字的影響，不僅不同人說同一詞會(huì)有所不同，就是同一人發(fā)音也會(huì)受到心理、生理和環(huán)境的影響而有所不同。

使用人的自然語言作為計(jì)算機(jī)輸入目前有兩個(gè)問題，首先是效率問題，為便于計(jì)算機(jī)理解，輸入的語音可能會(huì)相當(dāng)啰嗦。其次是正確性問題，計(jì)算機(jī)理解語音的方法是對比匹配，而沒有人的智能。

技術(shù)特點(diǎn)

VR藝術(shù)是伴隨著“虛擬現(xiàn)實(shí)時(shí)代”的來臨應(yīng)運(yùn)而生的一種新興而獨(dú)立的藝術(shù)門類，在《虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)： 形而上的終極再創(chuàng)造》一文中，關(guān)于VR藝術(shù)有如下的定義：“以虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)等人工智能技術(shù)作為媒介手段加以運(yùn)用的藝術(shù)形式，我們稱之為虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)，簡稱VR藝術(shù)。該藝術(shù)形式的主要特點(diǎn)是超文本性和交互性。”

“作為現(xiàn)代科技前沿的綜合體現(xiàn)，VR藝術(shù)是通過人機(jī)界面對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種新的藝術(shù)語言形式，它吸引藝術(shù)家的重要之處，在于藝術(shù)思維與科技工具的密切交融和二者深層滲透所產(chǎn)生的全新的認(rèn)知體驗(yàn)。與傳統(tǒng)視窗操作下的新媒體藝術(shù)相比，交互性和擴(kuò)展的人機(jī)對話，是VR藝術(shù)呈現(xiàn)其獨(dú)特優(yōu)勢的關(guān)鍵所在。從整體意義上說，VR藝術(shù)是以新型人機(jī)對話為基礎(chǔ)的交互性的藝術(shù)形式，其最大優(yōu)勢在于建構(gòu)作品與參與者的對話，通過對話揭示意義生成的過程。

藝術(shù)家通過對VR、AR等技術(shù)的應(yīng)用，可以采用更為自然的人機(jī)交互手段控制作品的形式，塑造出更具沉浸感的藝術(shù)環(huán)境和現(xiàn)實(shí)情況下不能實(shí)現(xiàn)的夢想，并賦予創(chuàng)造的過程以新的含義。如具有VR性質(zhì)的交互裝置系統(tǒng)可以設(shè)置觀眾穿越多重感官的交互通道以及穿越裝置的過程，藝術(shù)家可以借助軟件和硬件的順暢配合來促進(jìn)參與者與作品之間的溝通與反饋，創(chuàng)造良好的參與性和可操控性;也可以通過視頻界面進(jìn)行動(dòng)作捕捉，儲(chǔ)存訪問者的行為片段，以保持參與者的意識增強(qiáng)性為基礎(chǔ)，同步放映增強(qiáng)效果和重新塑造、處理過的影像;通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)等形式，將數(shù)字世界和真實(shí)世界結(jié)合在一起，觀眾可以通過自身動(dòng)作控制投影的文本，如數(shù)據(jù)手套可以提供力的反饋，可移動(dòng)的場景、360度旋轉(zhuǎn)的球體空間不僅增強(qiáng)了作品的沉浸感，而且可以使觀眾進(jìn)入作品的內(nèi)部，操縱它、觀察它的過程，甚至賦予觀眾參與再創(chuàng)造的機(jī)會(huì)。”

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)

VR在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在虛擬環(huán)境中，可以建立虛擬的人體模型，借助于跟蹤球、HMD、感覺手套，學(xué)生可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu)，這比現(xiàn)有的采用教科書的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個(gè)SGI工作站建立了一個(gè)虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器，用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個(gè)虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺與手術(shù)燈，虛擬的外科工具(如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等)，虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺手套，使用者可以對虛擬的人體模型進(jìn)行手術(shù)。但該系統(tǒng)有待進(jìn)一步改進(jìn)，如需提高環(huán)境的真實(shí)感，增加網(wǎng)絡(luò)功能，使其能同時(shí)培訓(xùn)多個(gè)使用者，或可在外地專家的指導(dǎo)下工作等。手術(shù)后果預(yù)測及改善殘疾人生恬狀況，乃至新型藥物的研制等方面，VR技術(shù)都有十分重要的意義。

在醫(yī)學(xué)院校，學(xué)生可在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，進(jìn)行“尸體”解剖和各種手術(shù)練習(xí)。用這項(xiàng)技術(shù)，由于不受標(biāo)本、場地等的限制，所以培訓(xùn)費(fèi)用大大降低。一些用于醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、實(shí)習(xí)和研究的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，仿真程度非常高，其優(yōu)越性和效果是不可估量和不可比擬的。例如，導(dǎo)管插入動(dòng)脈的模擬器，可以使學(xué)生反復(fù)實(shí)踐導(dǎo)管插入動(dòng)脈時(shí)的操作;眼睛手術(shù)模擬器，根據(jù)人眼的前眼結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出三維立體圖像，并帶有實(shí)時(shí)的觸覺反饋，學(xué)生利用它可以觀察模擬移去晶狀體的全過程，并觀察到眼睛前部結(jié)構(gòu)的血管、虹膜和鞏膜組織及角膜的透明度等。還有麻醉虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、口腔手術(shù)模擬器等。

外科醫(yī)生在真正動(dòng)手術(shù)之前，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助，能在顯示器上重復(fù)地模擬手術(shù)，移動(dòng)人體內(nèi)的器官，尋找最佳手術(shù)方案并提高熟練度。在遠(yuǎn)距離遙控外科手術(shù)，復(fù)雜手術(shù)的計(jì)劃安排，手術(shù)過程的信息指導(dǎo)，手術(shù)后果預(yù)測及改善殘疾人生活狀況，乃至新藥研制等方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都能發(fā)揮十分重要的作用。