浅析虚拟操作技术

刘人玮

（株洲市第二中学，湖南株洲，412000）

0 引言

当代社会发展十分迅速，技术水平日新月异。这种现象的出现，也产生了很多高危职业，同时也加剧了地球资源消耗，因此发展虚拟现实技术刻不容缓。若想解决这一问题，首当其冲的就是发展当前的虚拟操作技术。虚拟操作技术是虚拟现实技术与运动学和动力学相互结合的一种应用技术[1]。

现如今，虚拟技术已经可以模拟出一个与现实世界物理原理基本一致的世界。但唯一的不足就在于虚拟操作技术的发展还过于滞后。从设备到现有的操作方式都还远远不能达到人们的要求，远不能达到应有的沉浸感。

与现实世界的操作相较，虚拟操作应当具有良好的可操作性，以保证操作者可以高效，安全地完成操作，在此基础上，还可以重复实验，即可以修改环境参数以模拟不同的环境，应用于诸如航空航天等环境变化剧烈的情况；同时节约资源，真正做到完成实验仅仅消耗现实世界中的可再生资源从而达到与现实世界实验结果几乎一致的目的。

因此，本文首先论述了虚拟操作技术的研究意义，同时对当今虚拟操作技术的研究和应用情况进行简述，最后给出一种虚拟操作系统构建的方法。

1 虚拟操作技术的研究意义

虚拟操作技术的关键在于对现实各种环境的模拟，以达到不同环境下的行动的效果。所以行动的目的就是发展虚拟操作技术的最终目的。但是这个最终目的对于不同人来说都是不同的。而这个最终目的大致可分为三类：安全、节约和实现。

众所周知，现实生活中的资源是有限的，尤其是地球上已经被人类开发了几千年的资源，现在来看更是珍贵。因此便需要发展虚拟操作技术，只需人工将数据输入计算机生成的世界，便可在现实世界的资源仅仅只是微量的消耗下，完成对实验结果的探究。再者，人类的大多数活动都是会对人类以至于其他生物和自然界造成很大的影响的，小的可能只是造成神经系统产生痛的感觉，大的也可以造成生物的死亡甚至于灭绝。但是在虚拟操作技术的发展下，通过虚拟世界的模拟，现实世界中的这种事件完全可以避免。

并且，对于现实世界中暂时做不到的事情，也可以在虚拟世界中完成。对于影视观众和游戏玩家来说，虚拟操作技术的发展可以大大提高沉浸感，并以此提高满足感。对科学研究而言，则可以通过虚拟操作技术完成当下技术所达不到的领域。比如探究黑洞、模拟在其他星球上的生活等等，可以广泛地应用于物理学的各个领域。

2 虚拟操作技术的研究与应用现状

由于虚拟操作具有上述优势，所以现在很多国家，组织以及个人层面都在对虚拟操作技术进行研究。所涉及的领域有战争、医疗、航空航天、材料及产品设计和驾驶等的模拟。比如美国的NASA现在正在研制一款太空机器人，可被太空站内的使用者通过VR进行操控[2]，并将数据传给站外的机器人，从而在站内就可以完成各种外部的维修或者其他任务。

目前，虚拟操作技术在医疗领域的应用是国际学界研究的重点课题，我国就有三十多所大学在对这一方向进行研究，比如由中科院计算所和北医一同研究的数字人就属于此类。在这里，可以通过建立一个空间中的三维坐标系，并通过数据的精准输入，模拟出体内的环境及实际状况，在不对任何活体进行实验的情况下达到模拟的效果。并通过数据手套和视觉上的模拟，以提高沉浸感，最终达到与实际实验或者实际手术相同的效果，以达到训练和研究的目的。

同时，虚拟操作技术也可以在军事、旅游和文化教育方面进行应用。在军事上，可对战事进行预测和决策模拟，以此估测作此决策会对战事产生什么影响，以此来协助己方的战时决策的制定；在旅游上，可对实地和当地土特产等进行介绍和预览，以此推动当地旅游业的发展；在文化教育上，可以对很多的实物及其形成过程进行模拟，例如在虚拟环境下重现胡夫金字塔、故宫博物院以及索菲亚大教堂；在手机和PC等终端上还原中学课本上的物理、化学、生物等学课的实验等。

此外，现在为大众所广泛了解的可能就是虚拟操作技术在游戏领域的应用了。目前已有多个国家和公司在对游戏等的虚拟操作进行研究。其中美国在硬件技术上处于绝对领先的地位，韩国、日本等国在软件研发上也有着不俗的实力。

3 虚拟操作技术的实现

3.1 环境数据采集和设计

对于现实世界的任何一个所需要的事件的数据都可以将它分作三个维度，模拟的数据也是一样，用采集到的三维数据通过计算机的模拟生成一个模拟的，与现实世界无异的三维世界。

3.2 实验者数据采集

应做到即时，协调，精准。在绝大多数情况下，实验者会通过肢体的各项活动来进行实验，以此数据的变化也是十分迅速的。所以可以通过可穿戴设备对于实验者的行为进行及时采集并且将数据实时上传至计算机，以便计算机对下一步发展进行模拟。从另一个思路上来说，可以通过摄像头等设备对反应数据进行采集，其他与前一个思路一致。第二个思路对技术要求更高，但是对于室内操作的操作者来说相对更安全，可以避免因为可穿戴设备屏蔽视线而导致的撞击或踩空导致的受伤甚至死亡。而可穿戴设备可以通过许多的关节处的压力感受位点综合收集数据模拟出使用者的动作以及力度，并以此即时上传，并将计算机的反馈数据及时传输到可穿戴设备。如果有可能，可以通过电信号传输进入人体的神经系统，产生感觉但是并不会产生实际伤害。并且根据需要模拟的不同环境，佩戴不同部位的可穿戴设备。用于医疗方面的大多数可以仅佩戴手部手套，用于体育训练以及军事需佩戴手部、肘部、膝盖以及脚部等部位的可穿戴设备等。

3.3 沉浸感的提高

对于虚拟世界的真实度应该要高，否则两个不同的环境很难达到训练的目的。而提高沉浸感的要求又大致有以下几点：提高图像真实感；提高物理环境真实感；提高操作的即时性，协调性与真实感[3]。第三点已在前面设计过了。对于平面图像，当下技术已可以做到很清晰与真实。但是对于模拟出一个三维的世界就很困难。如果是一个现实世界中存在的环境，可以在当前环境中选取一个原点，将四周的图像记录下来，并对每一个物体取一个水平面坐标。在此基础上，将一个高度坐标输入至每一个平面坐标中。而对于任意一个物体，可以先建立一个模型，将其大致形状设计出来，再用游戏中的思路，用一种俗称为“空气墙”的设计填充进去，再对这个物体的行为进行设计，在满足运动规律，物理规律的前提下，尽可能地设计出这个生物的习性，在这些完成之后，大致就形成了一个世界。而对于一个现实世界中不对应存在的环境，可以使用一个现实环境，而在物理规律和运动规律上模拟出那个世界。

而对于物理规律，可以将使用者视为一个“物体”，普通物体的质量通过数据直接输入，使用者则通过脚部的可穿戴设备上的压力感受位点得出的数据输入。任何物体在进行运动时，时刻都要进行物理量的运算，并得出力，速度等，对于使用者则需要计算机将得出的物理量传输到可穿戴设备，并对使用者产生作用，以此提高真实感。

4 结论

本文简述了虚拟操作技术的意义、研究与应用的现状以及其实现的方式。虚拟操作技术是VR技术在实际工程领域的应用方向，在现今的大背景之下，一定会在不久的将来得到更为广泛的应用。