虚拟现实技术的发展与展望

◎王晓玥

虚拟现实技术的发展与展望

◎王晓玥

本文主要介绍了虚拟现实技术的起源、分类以及关键技术，最后对该技术的发展前景进行了展望。

虚拟现实最早源于美国军方的作战模拟系统，上世纪九十年代初逐渐为各界所关注并且在商业领域得到了进一步的发展。这种技术的特点在于计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境成为虚拟环境（VE），从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉。

虚拟现实系统分类

目前，虚拟现实系统根据用户参与形式的不同一般分为：桌面式、沉浸式、增强式、分布式以及混合式。

桌面式虚拟现实系统。桌面虚拟现实系统利用个人计算机和低级的工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟界面的一个窗口。桌面显示系统最大的特点是结构简单、价格低廉、易于普及推广，但最大的缺点是缺乏完全沉浸式的用户体验。

沉浸式虚拟现实系统。沉浸型虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，通常利用头盔式显示器或其他设备，把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，提供一个新的、虚拟的空间，并利用位置追踪器、数据手套、其他受控输入设备、声音等使参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸在虚拟空间的感觉。

分布式虚拟现实系统。分布式虚拟现实系统是一种基于网络连接的虚拟现实系统，它是多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历。从上世纪八十年代开始，美国军方一直在资助开发多种分布式虚拟战场系统项目。2002年运用大规模分布式虚拟战场环境JSIMS(Joint Simulation System)进行的“千年挑战2002”被认为是美军历史上规模最大的联合军演。我国在863计划的支持下，2000年10月北航、国防科大、装甲兵工程学院等单位联合开发出了基于HLA标准协议的分布式虚拟战场环境DVENET，并推广应用。2006年12月，国家863计划启动了“虚拟现实应用系统集成开发环境”项目。

增强式虚拟现实系统。增强式虚拟现实系统允许用户对现实世界进行观察的同时，将虚拟图像叠加在真实的物理对象之上，为用户提供所能看到的与真实环境有关的、存储在计算机中的信息，从而增强用户对真实环境的感受，又被称为叠加式或补充现实式虚拟现实系统。

混合现实系统。AR的成像理念与VR沉浸式的成像体验打造出了一种以全息投影现实为主的混合虚拟现实技术，即混合现实技术（Mix reality，简称MR）。这种混合虚拟现实设备是将计算机生成的3D虚拟物体全息投射到现实空间中，使用者可以在现实空间中与3D虚拟动画进行交互式操作，并触发相应功能。这类MR设备的成像原理并不同于沉浸式的VR设备，它是将虚拟画面投射到真实空间中，但所投射的是全息3D图像，其成像效果突破了虚拟与现实世界的界限。

关键技术与前沿应用

实时三维图形生成技术。三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧/秒，最好是高于30帧/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。

广角(宽视野)的立体显示。双目立体视觉在立体显示上起了很大作用,用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。

用户的跟踪。在人造环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态，而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头(眼)的方向来确定的。

触觉与力觉反馈。在一个VR系统中，用户可以看到一个虚拟的杯子。你可以设法去抓住它，但是你的手没有真正接触杯子的感觉，并有可能穿过虚拟杯子的“表面”，而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。

语音识别技术。在VR系统中，语音的输入输出也很重要。这就要求虚拟环境能听懂人的语言，并能与人实时交互。而让计算机识别人的语音是相当困难的，因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。例如，连续语音中词与词之间没有明显的停顿，同一词、同一字的发音受前后词、字的影响，不仅不同人说同一词会有所不同，就是同一人发音也会受到心理、生理和环境的影响而有所不同。使用人的自然语言作为计算机输入目前有两个问题，首先是效率问题，为便于计算机理解，输入的语音可能会相当啰嗦。其次是正确性问题，计算机理解语音的方法是对比匹配，而没有人的智能。

手势识别技术。通过数据手套或者深度图像传感器来精确测量出手的位置和形状，由此实现环境中的虚拟手对虚拟物体的操纵。数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向，而基于深度传感器的手势识别则通过深度传感器获得的深度图像信息进行计算，进而获得掌、手指等部分的弯曲角度等数据。

动态环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。

应用系统开发工具。虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。

虚拟现实技术应用的现状及展望

虚拟现实技术现在已经用于多个领域，包括医学、娱乐、军事航天、室内设计等，并为城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、房地产销售、旅游教学、水利电力、地质灾害、教育培训等众多领域提供切实可行的解决方案。例如面向数字博物馆，国内相关单位开发出的适合博物馆演示和研究的虚拟博物馆系统。同时本系统也可以作为面向城市规划设计应用系统的支撑平台。

虚拟现实系统具有三维声像效果，能进行交互操作，可以提供有趣味性的教育环境，因而在教育领域，虚拟现实系统被投资者广泛看好，并有许多企业已经涉足该产业。

随着科技水平的不断提高，虚拟现实技术具有广阔的未来。也许以下的技术和应用在不远的将来就会成为现实。

将图像直接投射到使用者眼睛的视网膜，让你的大脑认为它是真的。视网膜投射技术要将全世界变成一块触屏——同时又不需要屏幕存在。

虚拟旅行体验能够让你在家中实现荒野生存的体验，可以带你到世界上任何无法深入的古迹，如完整的庞贝古城、神秘的金字塔内部等。

相信在未来，基于虚拟现实的蓝光电影可以让你在家里体验《星际穿越》，或是置身于《侏罗纪公园》中，甚至是与《阿凡达》们一同作战。

虚拟现实可以帮助普通人以较低成本实现星际体验。利用不断出现及发展的基于虚拟现实的太空体验软件，相信在未来坐在家中体验太空的神秘也不是一件难事。

隶属于美国能源部的一个实验室近日通过虚拟现实技术来实现了模拟核反应堆实验，科学家们通过佩戴虚拟现实显示器、运行专用软件，可以反复练习在紧急环境下的核试验操作，从而提升实际操作时的成功几率。

虚拟现实技术存在的问题及发展前景

众多巨头关注虚拟现实行业，然而已经面世的几款产品采用的是头戴式显示设备，用户体验不好，而且内容也略显单一，仅仅停留在游戏领域。没有一部能够完全追踪人体动作的外设可以真正带给参与者毫无障碍的沉浸式体验；缺乏统一标准、兼容性障碍导致众多第三方厂商止步于混乱的市场现状；目前虚拟现实设备因为内容匮乏而无法吸引用户；“廉价化”也极大阻碍了行业的发展。

相较于国外虚拟现实技术的发展，国内企业起步稍晚，但国内市场给予了国内企业巨大的发展潜力，借着我国“互联网+”的春风，只要能专注于虚拟现实技术的研发，攻克技术难题，打造更多的虚拟现实设备，虚拟现实技术将在更广的领域中大显身手。

（作者单位：武汉第六中学）