虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展

引 言

易凱資本創(chuàng)始人王冉說(shuō)： 如果說(shuō)未來(lái)五到十年有什么東西能夠像Uber 顛覆全球出租車行業(yè)一樣顛覆全球娛樂產(chǎn)業(yè)， 我認(rèn)為就是VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）[1]。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）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、觸等一體化特定范圍的虛擬環(huán)境（Virtual Environment，VE），用戶通過輸出設(shè)備以自然方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用，相互影響，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 60 年代， 美國(guó) VPL 公司拉尼爾（Joaron Lanier） 于 20 世紀(jì) 80 年代提出了 Virtual Reality 一詞。直到 20 世紀(jì)末，這項(xiàng)綜合性信息技術(shù)才真正興起[2]。由于其超仿真效果明顯，VR 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品展示、工業(yè)制造、醫(yī)療教學(xué)、軍事虛擬作戰(zhàn)、教育培訓(xùn)等領(lǐng)域。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)的主要特征

任何虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都可用 3 個(gè) I 來(lái)描述其特征，即沉浸感（Immersion），交互性（Interaction）和想象力（Imagination）。

沉浸感指用戶在模擬環(huán)境中所感受到的真實(shí)程度。由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生逼真的三維立體圖像，使用者通過頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套或數(shù)據(jù)衣等交互設(shè)備，可將自己置身于虛擬環(huán)境中。使用者與虛擬環(huán)境中各種對(duì)象的相互作用如同在現(xiàn)實(shí)世界一般。當(dāng)使用者移動(dòng)頭部時(shí)，虛擬環(huán)境中的圖像也會(huì)實(shí)時(shí)跟隨變化， 物體可以隨著手勢(shì)移動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，使用者還可聽到三維仿真聲音。沉浸感是虛擬現(xiàn)實(shí)最終的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，其他兩者是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的基礎(chǔ)，三者之間是過程與結(jié)果的關(guān)系。

交互性指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作性和從環(huán)境得到反饋的自然程度。構(gòu)想性指虛擬環(huán)境使人沉浸其中并獲取新知識(shí)，提高感性和理性認(rèn)識(shí)，深化認(rèn)知萌發(fā)新意。沉浸感與交互性是決定一個(gè)系統(tǒng)是否屬于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵特征。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特性如圖 1 所示。

2 VR系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是融合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、智能接口技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信等的綜合性技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)具備與用戶交互、實(shí)時(shí)反映交互結(jié)果的功能。一般虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由專業(yè)圖形處理計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入輸出設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)組成，如圖 2 所示。

專業(yè)圖形處理計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)中處于核心地位，是虛擬現(xiàn)實(shí)的引擎，主要負(fù)責(zé)從輸入設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)、訪問與任務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)任務(wù)要求進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，從而更新虛擬世界的狀態(tài)，并且將結(jié)果反饋給輸出設(shè)備等。虛擬世界是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的場(chǎng)景，系統(tǒng)很難預(yù)測(cè)所有用戶的動(dòng)作，也就很難在內(nèi)存中存儲(chǔ)所有相應(yīng)的狀態(tài)，因此，虛擬世界需要實(shí)時(shí)繪制和刪除， 大大增加了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量，因此，對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求比較高。

應(yīng)用軟件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵，提供了工具包和場(chǎng)景圖，主要用于建立和管理虛擬世界中對(duì)象的幾何模型、物理模型、行為模型；三維立體聲的生成、三維場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制；虛擬世界數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和管理等。

數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存放整個(gè)虛擬世界中所有對(duì)象模型的相關(guān)信息。虛擬世界中的場(chǎng)景需實(shí)時(shí)繪制，大量虛擬對(duì)象需保存、調(diào)用和更新，因此要求數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)對(duì)象模型進(jìn)行分類管理。

輸入設(shè)備可檢測(cè)用戶的輸入信號(hào)，通過傳感器輸入計(jì)算機(jī)?；诓煌墓δ芎湍康?，輸入設(shè)備除了傳統(tǒng)的鼠標(biāo)、鍵盤外，還包括用于手姿輸入的數(shù)據(jù)手套、獲取身體姿態(tài)的數(shù)據(jù)衣、語(yǔ)音交互麥克風(fēng)等。

輸出設(shè)備是對(duì)輸入的反饋，由計(jì)算機(jī)生成的信息通過傳感器傳給輸出設(shè)備。輸出設(shè)備除屏幕外，還包括聲音反饋的立體聲耳機(jī)、力反饋的數(shù)據(jù)手套以及大屏幕立體現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

3 VR的價(jià)值及應(yīng)用

對(duì)于VR 技術(shù)的價(jià)值評(píng)價(jià)，存在兩種聲音。有人認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)所帶來(lái)的沉浸感以及人機(jī)交互性，相比傳統(tǒng)的人機(jī)界面體驗(yàn)更美好，使人更易沉浸在虛擬環(huán)境中，導(dǎo)致使用者難以區(qū)分虛擬與現(xiàn)實(shí)，易成癮，形成心理問題。而有人認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有成本低、安全性能高、形象逼真、可重復(fù)使用等特點(diǎn)， 可為人類在某些領(lǐng)域的研究帶來(lái)全新的體驗(yàn)，極大地影響著人們的生活、學(xué)習(xí)、工作。

在航空航天領(lǐng)域，采用VR 技術(shù)可以最低成本模擬太空環(huán)境和太空艙，使航天員獲得身臨其境的感知。同時(shí)它還可通過軟件參數(shù)設(shè)置，人為模擬生成一些突發(fā)事件改變環(huán)境， 以此來(lái)訓(xùn)練航天員應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力。太空的失重感也可通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，借助一定的輔助設(shè)備使航天員完成體驗(yàn)。該技術(shù)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。VR 技術(shù)可以清晰地模擬戰(zhàn)場(chǎng)的地形地貌，顯示精確的經(jīng)緯坐標(biāo)，對(duì)軍事指揮決策，如根據(jù)地形地貌合理分配作戰(zhàn)人員、火力布局設(shè)置，有較好的指導(dǎo)作用。同時(shí)還能模擬軍事訓(xùn)練和演習(xí)。傳統(tǒng)軍事訓(xùn)練演習(xí)成本高，安全性差，而采用 VR 技術(shù)可在實(shí)驗(yàn)室完成作戰(zhàn)模擬。有助于高端設(shè)備的研制，如運(yùn) 20 大飛機(jī)制作過程中就采用了VR 技術(shù)。另在醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、教育、游戲產(chǎn)業(yè)方面，VR 應(yīng)用廣泛。

4 目前 VR發(fā)展所面臨的問題[3]

盡管 VR 技術(shù)給人機(jī)交互帶來(lái)了全新的體驗(yàn)。從上世紀(jì)80 年代VR 概念提出到現(xiàn)今VR 技術(shù)的應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)并未真正走入我們的生活，而造成這樣局面的原因如下[4] ：

(1) 目前 VR產(chǎn)品存在性價(jià)比不高、舒適度較差等問題。當(dāng)前 VR產(chǎn)品主要分為 3種，即基于手機(jī)的VR，VR一體機(jī)和基于PC機(jī)的VR?；谑謾C(jī)的VR價(jià)格相對(duì)低廉，屬百元級(jí)，運(yùn)算性能屬于中等嵌入式等級(jí)，佩戴較重，VR 體驗(yàn)一般。

VR 一體機(jī)價(jià)格屬于千元級(jí)，運(yùn)算性能屬于中等嵌入式等級(jí)， 佩戴沉重，VR 體驗(yàn)一般；基于 PC 機(jī)的VR 價(jià)格較貴，要求高配置的PC，運(yùn)算性能較高，佩戴較輕，VR 體驗(yàn)較好。由于技術(shù)和成本的限制，目前消費(fèi)市場(chǎng)中尚未出現(xiàn)低價(jià)格、高性能的輕薄 VR 產(chǎn)品。

(2) 多目標(biāo)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)定位還存在技術(shù)困難?，F(xiàn)今技術(shù)大多針對(duì)單目標(biāo)的準(zhǔn)確定位，對(duì)于大范圍多目標(biāo)的精確實(shí)時(shí)定位不僅涉及目標(biāo)實(shí)時(shí)定位，還存在多目標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，目前這項(xiàng)技術(shù)有待突破。

(3) 現(xiàn)今VR技術(shù)中更多的是視覺感知。視覺是人體最重要、最復(fù)雜、信息量最大的傳感器。盡管人類大部分行為的執(zhí)行依賴視覺，但視覺并非人類感知的唯一通道。虛擬現(xiàn)實(shí)所創(chuàng)造的模擬環(huán)境還需要觸覺、嗅覺感知。現(xiàn)今對(duì)于觸覺、嗅覺感知的研究大多處于實(shí)驗(yàn)階段，還未真正走進(jìn)生活。

(4) 體驗(yàn)者的眩暈感和視覺疲勞的問題尚未解決。

(5) VR核心技術(shù)的開發(fā)工具和平臺(tái)需要更簡(jiǎn)單、更便捷。好的開發(fā)工具平臺(tái)可以顯著提高工作效率，大幅度減少源代碼的開發(fā)時(shí)間，使用戶能夠集中更多精力解決特殊領(lǐng)域的問題。

(6) 目前 VR的內(nèi)容相對(duì)不夠全面，更多的是視頻和游戲體驗(yàn)。人們需要更豐富、更優(yōu)質(zhì)的VR內(nèi)容。

5 結(jié) 語(yǔ)

盡管 VR 技術(shù)還面臨著諸多問題，但由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仍具有較多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域，且隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與成熟， 它對(duì)人類的影響與沖擊也會(huì)越來(lái)越大。縱觀計(jì)算機(jī)軟硬件和傳感器技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟與設(shè)備的普及近在咫尺。