虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展

虛擬現(xiàn)實技術(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、實時動態(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。除計算機圖形技術所生成的視覺感知外，還有聽覺、觸覺、力覺、運動等感知，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動，眼睛、手勢、或其他人體行為動作，由計算機來處理與參與者的動作相適應的數(shù)據(jù)，并對用戶的輸入做出實時響應，并分別反饋到用戶的五官。傳感設備是指三維交互設備。常用的有立體頭盔、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標、數(shù)據(jù)衣等穿戴于用戶身上的裝置和設置于現(xiàn)實環(huán)境中的傳感裝置，如攝像機、地板壓力傳感器等。

VR具有以下四個重要特征：

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

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

③ 交互性。指用戶對模擬環(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(jù)現(xiàn)實世界物理運動定律動作的程度。

虛擬現(xiàn)實的關鍵技術主要包括：動態(tài)環(huán)境建模技術、實時三維圖形生成技術、立體顯示和傳感器技術、應用系統(tǒng)開發(fā)工具、系統(tǒng)集成技術。

 
國外虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀

美國

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

美國宇航局的Ames實驗室：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。對哈勃太空望遠鏡的仿真。現(xiàn)在正致力于一個叫“虛擬行星探索”（VPE）的試驗計劃?，F(xiàn)在NASA己經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護VR訓練系統(tǒng)，空間站VR訓練系統(tǒng)，并且已經(jīng)建立了可供全國使用的VR教育系統(tǒng)。

北卡羅來納大學（UNC）的計算機系是進行VR研究最早最著名的大學。他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術仿真、建筑仿真等。

Loma Linda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VR的設備用于探討與神經(jīng)疾病相關的問題，首創(chuàng)了VR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，這些技術都是VR技術的基礎，1985年MIT成立了媒體實驗室，進行虛擬環(huán)境的正規(guī)研究。

SRI研究中心建立了“視覺感知計劃”，研究現(xiàn)有VR技術的進一步發(fā)展。1991年后，SRI進行了利用VR技術對軍用飛機或車輛駕駛的訓練研究，試圖通過仿真來減少飛行事故。

華盛頓大學華盛頓技術中心的人機界面技術實驗室（HIT Lab）將VR研究引入了教育、設計、娛樂和制造領域。伊利諾斯州立大學研制出在車輛設計中支持遠程協(xié)作的分布式VR系統(tǒng)。

喬治梅森大學研制出一套在動態(tài)虛擬環(huán)境中的流體實時仿真系統(tǒng)。從90年代初起，美國率先將虛擬現(xiàn)實技術用于軍事領域，主要用于以下四個方面：一是虛擬戰(zhàn)場環(huán)境。二是進行單兵模擬訓練。三是實施諸軍兵種聯(lián)合演習。四是進行指揮員訓練。

歐洲

在歐洲，英國在VR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，在歐洲來說是領先的。英國Bristol公司發(fā)現(xiàn)，VR應用的交點應集中在整體綜合技術上，他們在軟件和硬件的某些領域處于領先地位。英國ARRL公司關于遠地呈現(xiàn)的研究實驗，主要包括VR重構問題。他們的產(chǎn)品還包括建筑和科學可視化計算。

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，是一個基于Unix的，不同節(jié)點上的多個進程可以在同一世界中工作的異質分布式系統(tǒng)。

荷蘭海牙TNO研究所的物理電子實驗室(TNO-PEL)開發(fā)的訓練和模擬系統(tǒng)，通過改進人機界面來改善現(xiàn)有模擬系統(tǒng)，以使用戶完全介入模擬環(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(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面，一是用于產(chǎn)品設計、降低成本，避免新產(chǎn)品開發(fā)的風險；二是產(chǎn)品演示，吸引客戶爭取定單；三是用于培訓，在新生產(chǎn)設備投入使用前用虛擬工廠來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，整體上促進了虛擬現(xiàn)實技術的深入發(fā)展。

亞洲

在亞洲，日本虛擬現(xiàn)實技術研究發(fā)展十分迅速，同時韓國、新加坡等國家也在積極開展虛擬現(xiàn)實技術方面的研究工作。

在當前實用虛擬現(xiàn)實技術的研究與開發(fā)中日本是居于領先地位的國家之一，主要致力于建立大規(guī)模VR知識庫的研究。另外在虛擬現(xiàn)實的游戲方面的研究也做了很多工作。

東京技術學院精密和智能實驗室研究了一個用于建立三維模型的人性化界面。

NEC公司開發(fā)了一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，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(tǒng)通過數(shù)據(jù)手套把對模型的處理與操作者手的運動聯(lián)系起來。

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。

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

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

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

東京大學廣瀨研究室重點研究虛擬現(xiàn)實的可視化問題。為了克服當前顯示和交互作用技術的局限性，他們正在開發(fā)一種虛擬全息系統(tǒng)。

筑波大學研究一些力反饋顯示方法，開發(fā)了九自由度的觸覺輸入器，虛擬行走原型系統(tǒng)。

富士通實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(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號語言。

虛擬現(xiàn)實技術的幾個瓶頸問題

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

(2)虛擬環(huán)境感知信息合成的真實性。抽象的信息模型并不能直接為人類所直接感知，這就需要研究虛擬環(huán)境的視覺、聽覺、力覺和觸覺等感知信息的合成方法，重點解決合成信息的高保真性和實時性問題，以提高沉浸感。

(3)人與虛擬環(huán)境交互的自然性。合成的感知信息實時地通過界面?zhèn)鬟f給用戶，用戶根據(jù)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，并以自然方式實現(xiàn)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性化的自然交互技術等，以提高人機交互效率。

(4)實時顯示問題。盡管理論上講能夠建立起高度逼真的，實時漫游的VR，但至少現(xiàn)在來講還達不到這樣的水平。這種技術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，同時又是實時交互的VR。其根本原因是因為引入了用戶交互，需要動態(tài)生成新的圖形時，就不能達到實時要求，從而不得不降低圖形的逼真度以減少處理時間，這就是所謂的景物復雜度問題。

(5)圖形生成。圖形生成是虛擬現(xiàn)實的重要瓶頸，虛擬現(xiàn)實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景的動態(tài)特性，換句話說，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)要求隨著人的活動(位置、方向的變化)即時生成相應的圖形畫面。

(6)智能技術(Artificial Intelligence，簡稱AI)。在VR中，計算機是從人的各種動作，語言等變化中獲得信息，要正確理解這些信息，需要借助于AI技術來解決，如語音識別、圖像識別、自然語言理解等，這些智能接口領域的研究課題是VR技術的基礎，同時也是VR技術的難點。本質上，上述6個問題的解決使得用戶能夠身臨其境地感知虛擬環(huán)境，從而達到探索、認識客觀事物的目的。概括地說，圍繞著虛擬現(xiàn)實展開的研究都是圍繞著這6個基本問題的。

 
虛擬現(xiàn)實技術的未來發(fā)展趨勢

VR技術的實質是構建一種人為的能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)實是最理想的追求目標，實現(xiàn)的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器，通過聽覺、觸覺和視覺在虛擬場景中進行體驗?？梢灶A測短期內游戲玩家可以戴上頭盔身著游戲專用衣服及手套真正體驗身臨其境的“虛擬現(xiàn)實”游戲空間，它的出現(xiàn)將淘汰現(xiàn)有的各種大型游戲，推動科技的發(fā)展?？v觀VR的發(fā)展歷程，未來VR技術的研究仍將延續(xù)“低成本、高性能”原則，從軟件、硬件兩方面展開，發(fā)展方向主要歸納如下：

(1)動態(tài)環(huán)境建模技術。虛擬環(huán)境的建立是VR技術的核心內容，動態(tài)環(huán)境建模技術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。

(2)實時三維圖形生成和顯示技術。三維圖形的生成技術已比較成熟，而關鍵是怎樣“實時生成”，在不降低圖形的質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內容。此外，VR還依賴于立體顯示和傳感器技術的發(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。

(3)新型交互設備的研制。虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)人能夠自由與虛擬世界對象進行交互，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)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VR技術與智能技術、語音識別技術結合起來，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轉化成建模所需的數(shù)據(jù)，然后利用計算機的圖形處理技術和人工智能技術進行設計、導航以及評價，將模型用對象表示出來，并且將各種基本模型靜態(tài)或動態(tài)地連接起來，最終形成系統(tǒng)模型。人工智能一直是業(yè)界的難題，人工智能在各個領域十分有用，在虛擬世界也大有用武之地，良好的人工智能系統(tǒng)對減少乏味的人工勞動具有非常積極的作用。

(5)分布式虛擬現(xiàn)實技術的展望。分布式虛擬現(xiàn)實是今后虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展的重要方向。隨著眾多DVE開發(fā)工具及其系統(tǒng)的出現(xiàn)，DVE本身的應用也滲透到各行各業(yè)，包括醫(yī)療、工程、訓練與教學以及協(xié)同設計。仿真訓練和教學訓練是DVE的又一個重要的應用領域，包括虛擬戰(zhàn)場、輔助教學等。另外，研究人員還用DVE系統(tǒng)來支持協(xié)同設計工作。近年來，隨著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用戶可以進行協(xié)同工作。將分散的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)或仿真器通過網(wǎng)絡聯(lián)結起來，采用協(xié)調一致的結構、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。特別是在航空航天中應用價值極為明顯，因為國際空間站的參與國分布在世界不同區(qū)域，分布式VR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，通信技術、計算機的同步發(fā)展和相互促進成為世界上信息技術與產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的主要特征。特別是網(wǎng)絡技術的迅速崛起與普及，使得信息應用系統(tǒng)在深度和廣度上發(fā)生了質的變化。虛擬現(xiàn)實主要依靠人機交互的發(fā)展，目前技術上已初步解決人腦數(shù)據(jù)的讀取，在不久的將來，開發(fā)者將完全解決通過神經(jīng)系統(tǒng)自動進入虛擬現(xiàn)實環(huán)境的“人腦——計算機接口”問題，通過對人腦提取和反饋神經(jīng)信號使人完全融入“虛擬現(xiàn)實”世界。當然從技術角度，我們應該對基于多用戶虛擬環(huán)境進行必要的技術研究。因為將來的VR技術將越來越重視人在其中的交互。虛擬現(xiàn)實充滿活力、具有無限的應用前景的高新技術領域，但仍然存在許多有待解決與突破的問題。為了提高系統(tǒng)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、社會學等方面都有許多具有挑戰(zhàn)性的問題有待我們進一步解決。

虛擬現(xiàn)實技術是本世紀發(fā)展的重要技術之一，作為一門科學和藝術將會不斷走向成熟，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)實技術的時代。