虛擬現實(shí)技術(shù)的發(fā)展

虛擬現實(shí)技術(shù)(VR)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設備等方面。模擬環(huán)境是由計算機生成的、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應該具有一切人所具有的感知。除計算機圖形技術(shù)所生成的視覺(jué)感知外，還有聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、運動(dòng)等感知，甚至還包括嗅覺(jué)和味覺(jué)等，也稱(chēng)為多感知。自然技能是指人的頭部轉動(dòng)，眼睛、手勢、或其他人體行為動(dòng)作，由計算機來(lái)處理與參與者的動(dòng)作相適應的數據，并對用戶(hù)的輸入做出實(shí)時(shí)響應，并分別反饋到用戶(hù)的五官。傳感設備是指三維交互設備。常用的有立體頭盔、數據手套、三維鼠標、數據衣等穿戴于用戶(hù)身上的裝置和設置于現實(shí)環(huán)境中的傳感裝置，如攝像機、地板壓力傳感器等。

VR具有以下四個(gè)重要特征：

① 多感知性。指除一般計算機所具有的視覺(jué)感知外，還有聽(tīng)覺(jué)感知、觸覺(jué)感知、運動(dòng)感知，甚至還包括味覺(jué)、嗅覺(jué)、感知等。理想的虛擬現實(shí)應該具有一切人所具有的感知功能。

② 存在感。指用戶(hù)感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應該達到使用戶(hù)難辨真假的程度。

③ 交互性。指用戶(hù)對模擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。

④ 自主性。指虛擬環(huán)境中的物體依據現實(shí)世界物理運動(dòng)定律動(dòng)作的程度。

虛擬現實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、應用系統開(kāi)發(fā)工具、系統集成技術(shù)。

 
國外虛擬現實(shí)技術(shù)的研究現狀

美國

美國是VR技術(shù)的發(fā)源地。美國VR研究技術(shù)的水平基本上就代表國際VR發(fā)展的水平。目前美國在該領(lǐng)域的基礎研究主要集中在感知、用戶(hù)界面、后臺軟件和硬件四個(gè)方面。

美國宇航局的Ames實(shí)驗室：將數據手套工程化，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(shí)時(shí)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在正致力于一個(gè)叫“虛擬行星探索”（VPE）的試驗計劃?，F在NASA己經(jīng)建立了航空、衛星維護VR訓練系統，空間站VR訓練系統，并且已經(jīng)建立了可供全國使用的VR教育系統。

北卡羅來(lái)納大學(xué)（UNC）的計算機系是進(jìn)行VR研究最早最著(zhù)名的大學(xué)。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 Linda大學(xué)醫學(xué)中心的David Warner博士和他的研究小組成功地將計算機圖形及VR的設備用于探討與神經(jīng)疾病相關(guān)的問(wèn)題，首創(chuàng )了VR兒科治療法。

麻省理工學(xué)院（MIT）是研究人工智能、機器人和計算機圖形學(xué)及動(dòng)畫(huà)的先鋒，這些技術(shù)都是VR技術(shù)的基礎，1985年MIT成立了媒體實(shí)驗室，進(jìn)行虛擬環(huán)境的正規研究。

SRI研究中心建立了“視覺(jué)感知計劃”，研究現有VR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。1991年后，SRI進(jìn)行了利用VR技術(shù)對軍用飛機或車(chē)輛駕駛的訓練研究，試圖通過(guò)仿真來(lái)減少飛行事故。

華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心的人機界面技術(shù)實(shí)驗室（HIT Lab）將VR研究引入了教育、設計、娛樂(lè )和制造領(lǐng)域。伊利諾斯州立大學(xué)研制出在車(chē)輛設計中支持遠程協(xié)作的分布式VR系統。

喬治梅森大學(xué)研制出一套在動(dòng)態(tài)虛擬環(huán)境中的流體實(shí)時(shí)仿真系統。從90年代初起，美國率先將虛擬現實(shí)技術(shù)用于軍事領(lǐng)域，主要用于以下四個(gè)方面：一是虛擬戰場(chǎng)環(huán)境。二是進(jìn)行單兵模擬訓練。三是實(shí)施諸軍兵種聯(lián)合演習。四是進(jìn)行指揮員訓練。

歐洲

在歐洲，英國在VR開(kāi)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(jué)反饋)設計和應用研究方面，在歐洲來(lái)說(shuō)是領(lǐng)先的。英國B(niǎo)ristol公司發(fā)現，VR應用的交點(diǎn)應集中在整體綜合技術(shù)上，他們在軟件和硬件的某些領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。英國ARRL公司關(guān)于遠地呈現的研究實(shí)驗，主要包括VR重構問(wèn)題。他們的產(chǎn)品還包括建筑和科學(xué)可視化計算。

歐洲其它一些較發(fā)達的國家如：荷蘭、德國、瑞典等也積極進(jìn)行了VR的研究與應用。

瑞典的DIVE分布式虛擬交互環(huán)境，是一個(gè)基于Unix的，不同節點(diǎn)上的多個(gè)進(jìn)程可以在同一世界中工作的異質(zhì)分布式系統。

荷蘭海牙TNO研究所的物理電子實(shí)驗室(TNO-PEL)開(kāi)發(fā)的訓練和模擬系統，通過(guò)改進(jìn)人機界面來(lái)改善現有模擬系統，以使用戶(hù)完全介入模擬環(huán)境。

德國在VR的應用方面取得了出乎意料的成果。在改造傳統產(chǎn)業(yè)方面，一是用于產(chǎn)品設計、降低成本，避免新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的風(fēng)險；二是產(chǎn)品演示，吸引客戶(hù)爭取定單；三是用于培訓，在新生產(chǎn)設備投入使用前用虛擬工廠(chǎng)來(lái)提高工人的操作水平。

2008年10月27-29日在法國舉行的ACM Symposium on Virtual Reality Software and Technology大會(huì )，整體上促進(jìn)了虛擬現實(shí)技術(shù)的深入發(fā)展。

亞洲

在亞洲，日本虛擬現實(shí)技術(shù)研究發(fā)展十分迅速，同時(shí)韓國、新加坡等國家也在積極開(kāi)展虛擬現實(shí)技術(shù)方面的研究工作。

在當前實(shí)用虛擬現實(shí)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)中日本是居于領(lǐng)先地位的國家之一，主要致力于建立大規模VR知識庫的研究。另外在虛擬現實(shí)的游戲方面的研究也做了很多工作。

東京技術(shù)學(xué)院精密和智能實(shí)驗室研究了一個(gè)用于建立三維模型的人性化界面。

NEC公司開(kāi)發(fā)了一種虛擬現實(shí)系統，它能讓操作者都使用“代用手”去處理三維CAD中的形體模型，該系統通過(guò)數據手套把對模型的處理與操作者手的運動(dòng)聯(lián)系起來(lái)。

京都的先進(jìn)電子通信研究所（ATR）正在開(kāi)發(fā)一套系統，它能用圖像處理來(lái)識別手勢和面部表情，并把它們作為系統輸入。

日本國際工業(yè)和商業(yè)部產(chǎn)品科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)了一種采用X、Y記錄器的受力反饋裝置。

東京大學(xué)的高級科學(xué)研究中心將他們的研究重點(diǎn)放在遠程控制方面，最近的研究項目是主從系統。該系統可以使用戶(hù)控制遠程攝像系統和一個(gè)模擬人手的隨動(dòng)機械人手臂。

東京大學(xué)原島研究室開(kāi)展了3項研究：人類(lèi)面都表情特征的提取、三維結構的判定和三維形狀的表示、動(dòng)態(tài)圖像的提取。

東京大學(xué)廣瀨研究室重點(diǎn)研究虛擬現實(shí)的可視化問(wèn)題。為了克服當前顯示和交互作用技術(shù)的局限性，他們正在開(kāi)發(fā)一種虛擬全息系統。

筑波大學(xué)研究一些力反饋顯示方法，開(kāi)發(fā)了九自由度的觸覺(jué)輸入器，虛擬行走原型系統。

富士通實(shí)驗室有限公司正在研究虛擬生物與VR環(huán)境的相互作用。他們還在研究虛擬現實(shí)中的手勢識別，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )姿勢識別系統，該系統可以識別姿勢，也可以識別表示詞的信號語(yǔ)言。

虛擬現實(shí)技術(shù)的幾個(gè)瓶頸問(wèn)題

(1)虛擬環(huán)境表示的準確性。為使虛擬環(huán)境與客觀(guān)世界相一致，需要對其中種類(lèi)繁多、構形復雜的信息做出準確、完備的描述。同時(shí)，需要研究高效的建模方法，重建其演化規律以及虛擬對象之間的各種相互關(guān)系與相互作用。

(2)虛擬環(huán)境感知信息合成的真實(shí)性。抽象的信息模型并不能直接為人類(lèi)所直接感知，這就需要研究虛擬環(huán)境的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力覺(jué)和觸覺(jué)等感知信息的合成方法，重點(diǎn)解決合成信息的高保真性和實(shí)時(shí)性問(wèn)題，以提高沉浸感。

(3)人與虛擬環(huán)境交互的自然性。合成的感知信息實(shí)時(shí)地通過(guò)界面傳遞給用戶(hù)，用戶(hù)根據感知到的信息對虛擬環(huán)境中事件和態(tài)勢做出分析和判斷，并以自然方式實(shí)現與虛擬環(huán)境的交互。這就需要研究基于非精確信息的多通道人機交互模式和個(gè)性化的自然交互技術(shù)等，以提高人機交互效率。

(4)實(shí)時(shí)顯示問(wèn)題。盡管理論上講能夠建立起高度逼真的，實(shí)時(shí)漫游的VR，但至少現在來(lái)講還達不到這樣的水平。這種技術(shù)需要強有力的硬件條件的支撐，例如速度極快的圖形工作站和三維圖形加速卡，但目前即使是最快的圖形工作站也不能產(chǎn)生十分逼真，同時(shí)又是實(shí)時(shí)交互的VR。其根本原因是因為引入了用戶(hù)交互，需要動(dòng)態(tài)生成新的圖形時(shí)，就不能達到實(shí)時(shí)要求，從而不得不降低圖形的逼真度以減少處理時(shí)間，這就是所謂的景物復雜度問(wèn)題。

(5)圖形生成。圖形生成是虛擬現實(shí)的重要瓶頸，虛擬現實(shí)最重要的特性是人可以在隨意變化的交互控制下感受到場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)特性，換句話(huà)說(shuō)，虛擬現實(shí)系統要求隨著(zhù)人的活動(dòng)(位置、方向的變化)即時(shí)生成相應的圖形畫(huà)面。

(6)智能技術(shù)(Artificial Intelligence，簡(jiǎn)稱(chēng)AI)。在VR中，計算機是從人的各種動(dòng)作，語(yǔ)言等變化中獲得信息，要正確理解這些信息，需要借助于A(yíng)I技術(shù)來(lái)解決，如語(yǔ)音識別、圖像識別、自然語(yǔ)言理解等，這些智能接口領(lǐng)域的研究課題是VR技術(shù)的基礎，同時(shí)也是VR技術(shù)的難點(diǎn)。本質(zhì)上，上述6個(gè)問(wèn)題的解決使得用戶(hù)能夠身臨其境地感知虛擬環(huán)境，從而達到探索、認識客觀(guān)事物的目的。概括地說(shuō)，圍繞著(zhù)虛擬現實(shí)展開(kāi)的研究都是圍繞著(zhù)這6個(gè)基本問(wèn)題的。

 
虛擬現實(shí)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢

VR技術(shù)的實(shí)質(zhì)是構建一種人為的能與之進(jìn)行自由交互的“世界”，在這個(gè)“世界”中參與者可以實(shí)時(shí)地探索或移動(dòng)其中的對象。沉浸式虛擬現實(shí)是最理想的追求目標，實(shí)現的方式主要是戴上特制的頭盔顯示器、數據手套以及身體部位跟器，通過(guò)聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)和視覺(jué)在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行體驗?？梢灶A測短期內游戲玩家可以戴上頭盔身著(zhù)游戲專(zhuān)用衣服及手套真正體驗身臨其境的“虛擬現實(shí)”游戲空間，它的出現將淘汰現有的各種大型游戲，推動(dòng)科技的發(fā)展?？v觀(guān)VR的發(fā)展歷程，未來(lái)VR技術(shù)的研究仍將延續“低成本、高性能”原則，從軟件、硬件兩方面展開(kāi)，發(fā)展方向主要歸納如下：

(1)動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。虛擬環(huán)境的建立是VR技術(shù)的核心內容，動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數據，并根據需要建立相應的虛擬環(huán)境模型。

(2)實(shí)時(shí)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)鍵是怎樣“實(shí)時(shí)生成”，在不降低圖形的質(zhì)量和復雜程度的基礎上，如何提高刷新頻率將是今后重要的研究?jì)热?。此外，VR還依賴(lài)于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，現有的虛擬設備還不能滿(mǎn)足系統的需要，有必要開(kāi)發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術(shù)。

(3)新型交互設備的研制。虛擬現實(shí)技術(shù)實(shí)現人能夠自由與虛擬世界對象進(jìn)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、數據手套、數據衣服、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?xún)?yōu)良的數據手套和數據服將成為未來(lái)研究的重要方向。

(4)智能化語(yǔ)音虛擬現實(shí)建模。虛擬現實(shí)建模是一個(gè)比較繁復的過(guò)程，需要大量的時(shí)間和精力。如果將VR技術(shù)與智能技術(shù)、語(yǔ)音識別技術(shù)結合起來(lái)，可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。我們對模型的屬性、方法和一般特點(diǎn)的描述通過(guò)語(yǔ)音識別技術(shù)轉化成建模所需的數據，然后利用計算機的圖形處理技術(shù)和人工智能技術(shù)進(jìn)行設計、導航以及評價(jià)，將模型用對象表示出來(lái)，并且將各種基本模型靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地連接起來(lái)，最終形成系統模型。人工智能一直是業(yè)界的難題，人工智能在各個(gè)領(lǐng)域十分有用，在虛擬世界也大有用武之地，良好的人工智能系統對減少乏味的人工勞動(dòng)具有非常積極的作用。

(5)分布式虛擬現實(shí)技術(shù)的展望。分布式虛擬現實(shí)是今后虛擬現實(shí)技術(shù)發(fā)展的重要方向。隨著(zhù)眾多DVE開(kāi)發(fā)工具及其系統的出現，DVE本身的應用也滲透到各行各業(yè)，包括醫療、工程、訓練與教學(xué)以及協(xié)同設計。仿真訓練和教學(xué)訓練是DVE的又一個(gè)重要的應用領(lǐng)域，包括虛擬戰場(chǎng)、輔助教學(xué)等。另外，研究人員還用DVE系統來(lái)支持協(xié)同設計工作。近年來(lái)，隨著(zhù)Internet應用的普及，一些面向Internet的DVE應用使得位于世界各地多個(gè)用戶(hù)可以進(jìn)行協(xié)同工作。將分散的虛擬現實(shí)系統或仿真器通過(guò)網(wǎng)絡(luò )聯(lián)結起來(lái)，采用協(xié)調一致的結構、標準、協(xié)議和數據庫，形成一個(gè)在時(shí)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(jìn)行交互作用。特別是在航空航天中應用價(jià)值極為明顯，因為國際空間站的參與國分布在世界不同區域，分布式VR訓練環(huán)境不需要在各國重建仿真系統，這樣不僅減少了研制費和設備費用，減少了人員出差的費用以及異地生活的不適。

 
近幾十年來(lái)，通信技術(shù)、計算機的同步發(fā)展和相互促進(jìn)成為世界上信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的主要特征。特別是網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅速崛起與普及，使得信息應用系統在深度和廣度上發(fā)生了質(zhì)的變化。虛擬現實(shí)主要依靠人機交互的發(fā)展，目前技術(shù)上已初步解決人腦數據的讀取，在不久的將來(lái)，開(kāi)發(fā)者將完全解決通過(guò)神經(jīng)系統自動(dòng)進(jìn)入虛擬現實(shí)環(huán)境的“人腦——計算機接口”問(wèn)題，通過(guò)對人腦提取和反饋神經(jīng)信號使人完全融入“虛擬現實(shí)”世界。當然從技術(shù)角度，我們應該對基于多用戶(hù)虛擬環(huán)境進(jìn)行必要的技術(shù)研究。因為將來(lái)的VR技術(shù)將越來(lái)越重視人在其中的交互。虛擬現實(shí)充滿(mǎn)活力、具有無(wú)限的應用前景的高新技術(shù)領(lǐng)域，但仍然存在許多有待解決與突破的問(wèn)題。為了提高系統的交互性、逼真性和沉侵性，在新型傳感和感知肌理、幾何與建模新方法、高性能計算，特別是高速圖形圖像處理，以及人工智能、心理學(xué)、社會(huì )學(xué)等方面都有許多具有挑戰性的問(wèn)題有待我們進(jìn)一步解決。

虛擬現實(shí)技術(shù)是本世紀發(fā)展的重要技術(shù)之一，作為一門(mén)科學(xué)和藝術(shù)將會(huì )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實(shí)技術(shù)的時(shí)代。