虚拟现实技术及其未来展望

[摘 要] 虚拟现实技术是多种技术的综合,是一门前沿学科。目前,虚拟技术的应用已涉及到军事、教育、医学、心理学、商业、影视等领域。它是21世纪的重要发展学科。

[关键词] 虚拟现实;交互性;可视化

虚拟现实(Virtual Reality,VR)是利用计算机、电子技术、图像技术、传感器技术、多媒体技术、人机接口技术及仿真技术等多种科学技术发展起来的计算机领域的最新技术,是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。虚拟技术是一门富有挑战性的交叉技术、前沿科学和研究领域。目前虚拟技术已涉及到军事、教育、医学、心里学、商业、影视等领域,是21世纪的重要发展学科。

一、虚拟技术的特征

虚拟环境是利用计算机生成并控制的,因此人处在利用虚拟技术创建的虚拟环境之中和真实环境是没有差别的。虚拟现实具有3个最突出的特性:交互性(Interactivity)、沉浸性(Illusion of Immersion)和构想性(Imagination)。

1、交互性(Interactivity)

人们可以通过使用专门的输入和输出设备(主要通过数据手套、头盔、数据衣等)以自然地方式(如自身的语言、动作等)和虚拟世界中的对象进行交互操作和交流。

2、沉浸感(Illusion of Immersion)

沉浸感是指用户在纯自然的状态下借助交互设备和自身的感知觉系统对虚拟环境的投入程度。虚拟世界给人一种身临其境的感觉。

3、构想性(Imagination)

指借助虚拟技术可以使用户沉浸其中并获得新的知识,从而使用户深化概念和萌发新意。因此说虚拟现实可以启发人创造性思维,使抽象概念具体化。

二、虚拟现实技术的应用领域

虚拟现实技术应用非常广泛,它可以用于军事、教育训练、设计规划、产品建模、心理学治疗及艺术与娱乐等多

方面。

1、军事领域

虚拟现实技术在军事领域中发挥着重要的作用,被广泛的应用于军事训练、武装装备的研究和生产以及军事教育等各个方面。

目前的军事模拟训练大多是虚拟现实系统。在海湾战争中,美国士兵原本对周边环境非常陌生,是虚拟现实技术把他们带到那漫无边际的风尘黄沙中,让他们“身临其境”感受到大漠的荒凉。英国国防部向外界公开了全世界最大和最精确地模拟作战训练系统“合成兵战术训练师”,由170辆全面联网的高技术战车模拟器组成,全面革新了装甲战斗集群的战术仿真训练。

NASA虚拟工作站是美国航空航天局与军事部门为了模拟训练而开发的。

美国陆军的自动虚拟实验室CAVE是一个典型的虚拟现实系统。至2000年,美国陆军已拥有一个包括综合作战系统环境所用作战单元CCTT的模拟仿真器。目前美国正在开发空军的任务支援系统(AFMSS)和海军的特种作战部队计划和演习系统(SOF PARS)。

我国赵沁平教授从1996年开始研究“分布式虚拟环境”,在863计划的资助下,以北京航空航天大学计算机系为系统集成单位,中科院软件所、国防科技大学等单位为关键技术单位,包括合成环境、虚拟士兵、武器等研究,目前已达到美国同类产品的水平。

2、医学

虚拟现实技术在医学领域可以用于教学及复杂手术的规划。并且可以提供操作和对手术结果进行预测,进行人体解剖仿真、外科手术仿真等,利用虚拟的医疗手术治疗系统,对患者进行远程的救治。

2003年,我国第一军医大学宣布完成了首例女虚拟人的数据采集。首都医科大学对虚拟中国女性数据集的高分辨率可视化和上海交通大学对虚拟人体运动建模的研究各有特色。

1985年美国国立医学图书馆(NLM)就开始人体解剖图像数字化研究和利用,目前已经有虚拟人体模型可供下载。虚拟现实技术可以遥感外科手术。在偏远的山区,通过远程的医疗虚拟现实系统,医生只需要对虚拟病人模型进行手术,通过网络将医生动作传送到另一端的手术机器人,由机器人对病人实施远程手术。手术实时进展的情况也可以通过机器人摄像机实时传给医生的头盔立体显示器,以便医生实时的掌握手术情况。

3、教育

虚拟现实技术应用于教育是教育发展的一个飞跃。它使传统的“以教促学”的学习方式被取而代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识。

国内利用虚拟现实技术开发了多媒体教学软件,如邹湘军、周荣安等人开发的机械制造工程学多媒体教学软件,效果逼真。该软件已在南华大学和国防科技大学指挥专业的教学中使用。

利用虚拟现实技术进行仿真教学和实验,可以模拟显现那些在现实中存在的、但在课堂教学环境下不容易做到或要花费很大代价才能显现的各种事物,供学生学习和探索。美国一个“虚拟物理实验室”系统的设计就使得学生可以通过亲身的做、看、听来学习的方式成为可能。

4、工程领域

虚拟现实技术在工程领域的应用有很多方面,如城市建设、机械制造等。在机械制造中,利用它的直观性和交互性可以帮助设计人员进行产品的设计和制造。

虚拟现实技术在我国工业产品开发中也有非常广泛的应用,如严隽琪教授开发的“虚拟产品开发技术的理论体系研究”、孙健教授的“虚拟环境下啤酒灌装生产线”的研究等均取得了一定的成果。

在现代城市建设中,设计人员更关心的是建筑的整体设计效果。利用虚拟现实技术在设计阶段就可以动态的、可视的、多方位的展现建筑物的外貌、地理环境和辅助设施,设计人员可以在虚拟建筑物中漫游,来查看自己的设计是否合理得当。

利用虚拟现实技术,日本开发了虚拟东京古罗马时代最宏伟的建筑——Trajan广场再现。我国浙江大学开发了虚拟故宫,武汉大学开发的数码城市系统,这些都是虚拟现实技术的应用。

三、虚拟技术的展望

虚拟现实在军事上对未来研究与应用体现在这几个方面:控制无人作战、利用战场发回各种数据生成虚拟战场、通过人机协调共同分析和进行战事指挥、虚拟军事地图和已发生的战争再现。

在城市规划中,利用虚拟现实,模拟出建筑物,让设计人员室内考察,因而虚拟现实技术是建筑规划、方案设计、装修效果展示等方面的有力工具。虚拟技术在建筑设计业、虚拟城市和建筑装修业等领域有着日益广泛的发展前景,成为研究的热点。

虚拟现实技术在医学领域有非常广阔的前景。21世纪,最富有意义的挑战是医学虚拟系统的研制和开发,其中不同类型的虚拟人体的研制是科学工作者一项艰巨的任务。远程医疗服务是一个很有潜力的发展领域,同时心理学方面的研究与应用也是一项很有前景的应用领域。

虚拟现实技术是继多媒体技术、计算机网络之后,在教育领域最具有前景的技术。它的科学可视化的应用,可以解决文化教育中硬件资源的不足,可以帮助我们理解科学实验数据。现实生活中很多不可见的东西,如电磁场、红外线等,利用虚拟现实技术就很容易将其可视并生动的展现在我们面前。虚拟技术使虚拟教室、虚拟图书馆、虚拟校园、虚拟考场等新兴的教育形式成为可能,使其在未来教育中占有一席之地。

近几年来,网络技术的飞速发展,使信息应用系统发生了质的变化,分布式虚拟现实则是一个典型的例子。分布式虚拟环境系统能够满足复杂虚拟环境的计算需求,还能满足分布式仿真等对共享虚拟环境的自然需求。分布式虚拟现实是基于网络的虚拟现实系统,可供多个用户同时异地参与分布式虚拟环境,不同地域的用户可以通过声音、文字等进行交流和学习。分布式虚拟现实技术将是未来虚拟现实的重要发展趋势。

总之,虚拟现实技术是具有深远的潜在应用方向的新技术,它将对科学、工程、文化教育、医学和认知等各种领域产生深刻的影响。有朝一日,虚拟现实系统将成为人们进行思维和创造的助手,是人们对已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。

[参考文献]

[1] 汪成为.虚拟现实技术的理论、实现与应用[M]清华大学出版社,1996.

[2] 苏建明.展望虚拟现实技术.计算机仿真.2004.21(1):P18-21.

[3] 邹湘军.虚拟现实技术的演变和发展.系统仿真学报.2004.16(9):P1905-1909.

[4] [JP3]徐大敏.虚拟现实技术及其应用与展望.机床与液压.2006.7.

[5] 佟晓妍.虚拟现实技术的应用及其展望.内蒙古科技与经济.2007.8.

[作者简介]

赵晓华,陕西交通职业技术学院信息工程系教师,工程师,研究方向为现代信息技术与应用.