军事、医学领域的VR前瞻技术

沈臻懿

近两年来，VR一词可谓风靡全球。VR，系英语Virtual Reality的缩写，中文译之为虚拟现实技术，是一种能够用来创建和亲临虚拟现实环境的计算机仿真技术。有人在体验这一全新技术后，评价其为“真幻难辨，近乎真实”！

解构“真幻难辨”的虚拟现实技术

虚拟现实世界若要达到身临其境的程度，就需要让体验者实现真实的视觉、听觉、触觉甚至味觉，还可以从中判断方位和距离，进而形成完美地交互式体验。为了实现这近乎真实的感觉，虚拟现实技术（VR）需要硬件与软件的全面支持，采用三维动态交互视觉感官、实体行为仿真以及多源信息融合等方式，方能令用户完全浸润到这一“真幻难辨”的虚拟环境。

虚拟现实技术（VR）是多种学科交融的产物。其关键虽然是计算机图形与仿真，但人工智能、计算机硬件，甚至声、光、电等技术都在其中扮演着重要角色。用户通过视觉所看到的虚拟现实内容，最初是由计算机三维软件系统进行设计，而后呈现在显示器之上。此外，利用全景照相机，也可以获得虚拟现实内容。该相机不同于普通的单反相机，其拥有多个镜头，可以拍摄360度范围内的所有画面，并在虚拟世界中予以呈现。

人类的视觉，是其认识周围世界的重要感知手段。由于双眼的位置有所不同，人在观察周围世界时双眼获得的图像也略存差异。这些图像输入大脑后，经大脑处理，即形成了人对于周围世界景象的立体感知。在虚拟现实技术（VR）中，为了能“欺骗”人的视觉，以达到以假乱真的程度，VR系统中的双目立体视觉功能就起到了极为关键的作用。用户在VR系统中双眼所看到的不同图像，是由不同显示器分别形成并显示，从而在视差的作用下产生视觉立体感。即使是个别VR系统采用单显示器的设计，用户在戴上VR眼镜后，左右两眼所看到的图像分别为奇数帧和偶数帧，其奇、偶帧之间的图像也各不相同，仍可形成立体感的景象。VR视觉体验除使用虚拟现实头盔外，诸如洞穴式自动虚拟系统（Cave Automatic Virtual Environment，CAVE）、环幕投影等方式，均可以营造出虚拟现实的世界。CAVE系统通常应用于标准较高的虚拟现实系统。其由三面及以上的硬质背投墙组成具有高度沉浸感的虚拟现实环境。在三维跟踪器的配合下，用户可以在立体投射的墙面环境下直观感知近乎真实的三维虚拟环境。博物馆、艺术馆、科技馆等场所的展览布置中，有时会应用环幕投影的虚拟现实技术（VR）。环幕投影系统采用的是多台投影所组成的环形屏幕，用户身处其中可感受到三维立体的视听体验。不过，有些环幕投影并没有完全覆盖所有视野，属于半沉浸式的虚拟现实体验。当用户背对环幕投影系统时，又会重新回到现实世界之中。

虚拟现实技术（VR）所构筑的虚拟现实世界，毕竟只是一个计算机仿真系统，其不可避免地需要与用户之间进行交互。用户与计算机的常规互动中，键盘、鼠标是最为常用的一组工具。但对属于三维空间的虚拟现实世界而言，键盘、鼠标实则难以完成前述使命。虚拟现实技术（VR）在探索这一现实难题的过程中，尝试使用虚拟键盘和智能语言系统来实现用户与系统的交互。当前技术下的虚拟键盘，多需要借助触摸屏来作为媒介。诸如平板电脑和手机上的触屏键盘，皆是虚拟键盘的应用成果。与虚拟键盘相比，智能语音系统更为方便，且交互式体验更佳。但客观而言，无论是各种语言的翻译，还是人工智能的应用，都是智能语言系统在研发过程中需要解决的实际难题。

用户对于虚拟现实的感知，仅仅依靠视觉并不能完全达到“真假难辨”的程度。为了使虚拟世界更为真实，虚拟现实技术（VR）已开始向全方位的感官体验拓展。相较于利用三维计算机图形模型技术生成图像所提供的视觉感官，融合视觉、味觉、嗅觉、触觉、痛觉等全方位虚拟现实体验的技术难度更甚。这就需要在VR系统中配置大量的芯片与传感器来强化感官体验。譬如，通过在VR系统中设置的芳香扩散器，可以让用户闻到四周的气味；通过分布于VR体感衣全身的震动传感器，可以让用户实现触觉感官的体验；通过在VR体感衣或者游戏手柄中嵌入的内置式芯片，则可以让用户真实感知到冷、热的变化，从而浸润至“身临其境”之感。虚拟现实环境呈现出的人的活动，都需要借助专门设备进行捕捉。为了获得这些动作信号，就需要有运动捕获设备的介入。利用用户身上安装的各个惯性传感器，可以将用户的活动以动作信号的方式予以捕获。此外，当用户戴上专门的数据手套后，手部活动时每个关节的活动角度，都可以被该手套所捕捉。

臨床实践中的交互式虚拟现实平台

虚拟现实技术（VR）对于社会生活的影响，已辐射到医疗卫生行业，并与人类健康事业的未来发展产生了直接联系。

临床医生对于疾病的了解与掌握，多依赖于医学教科书、平面解剖图，以及临床实践经验。虚拟现实技术（VR）的介入，可以让医生更为直观、深入地把握某种疾病引起的原因。利用虚拟现实技术（VR）建立起的交互式虚拟现实平台，可以在模拟人体内部结构、脏器活动的虚拟环境下，指导医生在更为直观了解某一疾病的基础上，对引起该种疾病的潜在因素进行检查。

在人体结构的掌握以及外科手术的训练方面，虚拟现实技术（VR）也可以发挥其独特的功效。利用虚拟现实技术（VR）搭建起的虚拟仿真人体模型，以及VR虚拟现实头盔、感觉手套等辅助工具，医学生可以亲临其境般掌握人体各个器官的结构特点。此外，虚拟现实技术（VR）搭建的虚拟仿真人体模型，还可以帮助医生进行外科手术训练，以提升操作的熟练性，并寻求最佳的手术方案。以虚拟现实技术（VR）作为支撑的虚拟手术系统融合了人体组织动力学、移动流体学等近乎真实的虚拟仿真技术。在这一系统中，虚拟的病人不仅会出血，还会因手术活动而产生各类反应。医生在这一虚拟但近乎真实的环境下，不仅可以规避给真实病人动手术时可能带来的风险，更能在实施各类复杂手术的过程中提升自己的专业技能。

除了医疗教育、培训外，治疗患者也是虚拟现实技术（VR）大展身手的重要舞台。各类疾病中，心理疾病对于病患而言可谓是一个看不见的“杀手”。如今，有了虚拟现实技术（VR）的介入，可以有效帮助自闭症儿童学习互动技能。其利用脑计算机监测与大脑成像技术，构建虚拟场景，让自闭症儿童置身于近乎真实的工作、生活、面试、社交等社会活动之中。通过该技术，不仅可以增进自闭症儿童对社会的了解，更可训练其情感表达方式符合社会的认可，从而顺利融入社会。endprint

创伤后应激障碍（Post-traumatic Stress Disorder，PTSD）能够导致某一个体持续存在或延迟出现精神障碍。这一疾病的发生，与社会、家庭、心理、生物学等诸多因素相关。研究表明，重大创伤性事件是创伤后应激障碍发病的前提条件。因此在战争环境下，有的参战士兵也会不幸患上这一疾病。为了更好地治疗这一疾病，美国已将虚拟现实技术（VR）引入诊疗活动中。医院在临床诊疗中，利用虚拟现实技术（VR）为患者搭建了一个安全、可控的虚拟战争环境，如模拟阿富汗战争、伊拉克战争等，以帮助退役士兵反复体验其所经历过的重大创伤性事件。虚拟现实技术（VR）的优势在于，其所模拟出的环境是根据个性化设计，且可以在安全范围内随时由人予以暂定或重复。通过虚拟现实技术（VR）的帮助，患者可以直面其恐惧、破除其逃避心理，进而习得危机应对策略。

虚拟现实技术（VR）与心理学相交织的特点，令科学家也关注其在分心治疗方法中的特殊作用。对于烧伤患者而言，其治疗过程中的疼痛问题尤为突出。每次换药对于烧伤病患而言，无疑都是一种折磨。科学家们想到了利用虚拟现实技术（VR）来分散烧伤病患的注意力，采用分心治疗方法来减少其在伤口处理时的疼痛感。为此，科学家研发了一款名为“冰雪世界”（Snow World）的虚拟现实视频游戏。该游戏模拟出的世界中，不仅有着企鹅、雪人，还有着冰雪覆盖的冰川、瀑布与河流。烧伤患者在接受治疗时，可以沉浸至该游戏模拟出的画面之中。在虚拟的环境下，患者可以向企鹅抛掷雪球或者穿越冰封的峡谷，完全融入至冰雪世界中，从而得以分散对于疼痛的注意力。简言之，虚拟现实技术（VR）与分心治疗法的结合，能够阻碍烧伤患者大脑中的疼痛通路，抑制其自身的痛感，从而减轻其伤口换药、理疗等治疗环节中的疼痛感觉。

除了医疗卫生行业外，虚拟现实技术（VR）在军事领域中也受到了高度瞩目，并逐渐将其应用于虚拟军事训练、设备模拟操作、飞机设备模拟维修等方面。

军事领域中的虚拟现实技术

传统军事训练中，实弹的消耗、设备的损耗都会造成巨额费用的开支，更有可能带来人员的伤亡。利用虚拟现实技术（VR）所进行的演习，其成本仅仅只有传统实弹演习的数百分之一，且可减少武器的损耗，对于人员而言也可实现零伤亡。

军事类电脑游戏对于游戏迷来说并不陌生，但借用游戏来进行战场模拟，并对士兵进行训练则是近年来虚拟现实技术（VR）应用的成果。目前，一套名为“可拆式士兵训练系统”（Dismounted Soldier Training System）已将游戏融合了士兵训练过程。该系统可谓世界上首个高度仿真的虚拟现实训练系统，能够逼真模擬出各类战场环境与情形。普通军事类游戏中，用户都是坐在计算机之前，使用鼠标进行游戏的操作。然而，仅仅通过鼠标点击所获得的体验，与手持武器所获得的真实感相比，实在相去甚远。为了获得“近乎真实”的全方位感官，“可拆式士兵训练系统”利用虚拟现实技术（VR）模拟真实环境下的各类战场情形，并配有相应硬件设置，包括能够满足一个小队兵力穿戴的模拟装置、一个用于演习控制的工作站、一个前景回溯工作站以及数个多功能工作站。与此同时，应用该模拟训练器进行的演习与传统军事演习也截然不同，其完全是在室内环境下进行，每名士兵都会拥有10平方米左右的活动场地。接受训练的士兵需要全副武器，并穿戴上布满传感器的护具、头盔，以及头戴式显示器。该系统能够实时捕捉到参训士兵的所有动作与实施，并在模拟软件中全方位呈现该名士兵的战训能力。

飞行器维修及跳伞虚拟模拟中的VR技术

除模拟战场训练外，虚拟现实技术（VR）在飞行器维修的虚拟仿真训练中也有着创新性的应用。美国波音公司在其最新研发的一款飞行器维修训练系统中，就专门引入了虚拟现实技术（VR）。该系统通过虚拟现实技术（VR），对飞行器进行了三维建模。训练人员在这一虚拟现实的环境下，不仅能够在360度视角下对“待修理飞机”进行全方位、无死角观察，还可以使用模拟器来实施并完成所有的维修工作。同时，该系统能够将训练者的训练全过程视频录制后发送给位于世界各地的训练管理人员，以便于对维修训练成果与训练中可能存在的问题进行及时评判。

跳伞，又被世人称之为“勇敢者的运动”，这也反映出了跳伞的惊险性与挑战性。对于空降士兵而言，跳伞则是其必备的一项技能。在跳伞训练中，有没有一种既高效，又安全的训练方法呢？答案就在虚拟现实技术（VR）之中。当前，一种利用虚拟现实技术（VR）打造的，能够对跳伞活动中的多种感官体验进行模拟仿真的虚拟现实系统已应用至士兵的跳伞训练之中。士兵在进行虚拟仿真训练时，需要戴上专用的VR眼镜，穿戴有计算机控制的背带系统。在模拟仿真系统的配合下，训练者可以以第一视角的角度同步观察其身处空中的环境情况，并在跳伞操纵的感觉中体验自身姿态的变化。与此同时，训练管理人员则能够以第三人称视角来监控训练者的跳伞情况，并及时判断和处置可能出现的各类特殊情况。

编辑：黄灵 yeshzhwu@foxmail.comendprint