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探析虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展
摘要:虛擬現(xiàn)實(VR)是一個正在發(fā)展的高新技術(shù),它允許用戶在一個采用計算機生成的三維的動態(tài)的虛擬環(huán)境中活動或與之相互作用。本文主要介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征及關(guān)鍵技術(shù)、分析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實(VR);虛擬環(huán)境人機交互
一、引言
在信息技術(shù)發(fā)展的今天,人們的交流越來越多的依靠網(wǎng)絡(luò)、廣播、電視等媒體得到相關(guān)的信息資料,但是這些媒體提供的信息往往是經(jīng)過抽象的,在很大程度上人們不能及時有效的進行理解吸收,解決這一問題人們只能借助于實物模型,但隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展,使得人與計算機的交互成為可能,虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)就是借助于這個基礎(chǔ)上實現(xiàn)了人機交互,操作者可以通過鍵盤、鼠標(biāo)、頭盔、數(shù)據(jù)手套等工具與計算機間的交互,真正成為虛擬環(huán)境中的一員,較真實的感知和操作虛擬世界中的各種對象,達到理解和掌握知識、為生產(chǎn)生活服務(wù)的目的。
二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介
虛擬現(xiàn)實(簡稱VR),又稱靈境技術(shù), 是以浸沒感、交互性和構(gòu)想為基本特征的計算機高級人機界面,是迅速發(fā)展的一項綜合性計算機、圖形交互技術(shù)。它綜合利用了計算機圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù),模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感官功能,使人能夠沉浸在計算機生成的虛擬境界中,并能夠通過語言、手勢等自然的方式與之進行實時交互,創(chuàng)建了一種適人化的多維信息空間。使用者不僅能夠通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)感受到在客觀物理世界中所經(jīng)歷的“身臨其境”的逼真性,而且能夠突破空間、時間以及其他客觀限制,感受到在真實世界中無法親身經(jīng)歷的體驗。
計算機技術(shù)的迅速發(fā)展為我們提供了許多解決問題的新方法。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展也同樣如此,目前虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀主要涉及到三個研究領(lǐng)域:依靠計算機圖形方式建立實時的三維視覺效果、構(gòu)建對虛擬世界的觀察界面和使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)加強其在現(xiàn)實世界中的應(yīng)用。
三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)特征及其系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
從本質(zhì)上說,虛擬現(xiàn)實就是一種先進的計算機用戶接口,它通過給用戶同時提供諸如視、聽、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段、最大限度地方便用戶的操作,從而減輕用戶的負(fù)擔(dān)、提高整個系統(tǒng)的工作效率。因此虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有以下四個重要特征。
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所謂多感知性就是指導(dǎo)包括視覺感知外, 還包括聽覺、力覺、觸覺和運動感知、甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。
（二）存在感
又稱臨場感,它是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(yīng)該達到使用戶難以分辨真假的程度。
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它是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實時性)。我們借助與我們8的感覺器官,在虛擬的環(huán)境中體驗真實的環(huán)境。
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是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律進行動作的程度。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要由動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實時三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具和系統(tǒng)集成技術(shù)等五個方面組成。其中動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是根據(jù)應(yīng)用的需要獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù), 并利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。而三維圖形的生成技術(shù)關(guān)鍵是如何實現(xiàn)“實時”生成。立體顯示和傳感器技術(shù)是虛擬現(xiàn)實中實施交互能力的關(guān)鍵。
四、當(dāng)今虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。目前在娛樂、教育及藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用占據(jù)主流,其次是軍事與航空、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,機器人和商業(yè)領(lǐng)域都占有一定比例,另外在可視化計算、制造業(yè)等領(lǐng)域也有相當(dāng)?shù)谋戎�。下面簡要介紹其部分應(yīng)用。
�。ㄒ唬⿰蕵�、藝術(shù)與教育領(lǐng)域
豐富的感覺能力與3D顯示環(huán)境使得VR 成為理想的視頻游戲工具。如Chicago(芝加哥) 開放了關(guān)于3025 年的一場未來戰(zhàn)爭的世界上第一臺大型可供多人使用的VR娛樂系統(tǒng);1992年的一臺稱為“LegealQust”的系統(tǒng)由于增加了人工智能功能,使計算機具備了自學(xué)習(xí)功能,大大增強了趣味性及難度,使該系統(tǒng)獲該年度VR 產(chǎn)品獎。
作為傳輸顯示信息的媒體,VR所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術(shù)轉(zhuǎn)化為動態(tài)的,可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術(shù),提高了藝術(shù)表現(xiàn)能力。
�。ǘ┸娛屡c航天工業(yè)領(lǐng)域
模擬與練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個重要課題,這為VR提供了廣闊的應(yīng)用前景。美國國防部高級研究計劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱為SIM NET的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng),以提供坦克協(xié)同訓(xùn)練,該系統(tǒng)可聯(lián)結(jié)200多臺模擬器。另外利用VR技術(shù),可模擬零重力環(huán)境,以代替現(xiàn)在非標(biāo)準(zhǔn)的水下訓(xùn)練宇航員的方法。
�。ㄈ� 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
VR在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實意義。在虛擬環(huán)境中,可以建立虛擬的人體模型,借助于跟蹤球、HMD、感覺手套,學(xué)員們可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu),這比現(xiàn)有的采用教科書的方式要有效得多。
Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個SGI工作站建立了一個虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器,用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺與手術(shù)燈,虛擬的外科工具(如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等),虛擬的人體模型與器官等。借助于HMD及感覺手套,使用者可以對虛擬的人體模型進行手術(shù)。
另外,在遠距離遙控外科手術(shù),復(fù)雜手術(shù)的計劃安排,手術(shù)過程的信息指導(dǎo),手術(shù)后果預(yù)測及改善殘疾人生恬狀況,乃至新型藥物的研制等方面,VR技術(shù)都有十分重要的意義。
�。ㄋ模┕芾砉こ填I(lǐng)域
VR 在管理工程方面也顯示出了無與倫比的優(yōu)越性。如設(shè)計一新型建筑物時,可以在建筑物動工之前用VR技術(shù)顯示一下;當(dāng)財政發(fā)生危機時,可以幫助分析大量的股票、債券等方面的數(shù)據(jù)以尋找對策等等。
以上僅列出虛擬現(xiàn)實的部分應(yīng)用前景,可以預(yù)見,在不久的將來,虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會影響甚至改變我們的觀念與習(xí)慣, 并將深入到人們的日常工作與生活。
五、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進一步展望
虛擬現(xiàn)實從其萌芽到今天的日漸成熟已經(jīng)走過了相當(dāng)長的一段風(fēng)雨歷程。目前它的研究內(nèi)容涉及到多項學(xué)科領(lǐng)域。我們同時也認(rèn)識到,這個領(lǐng)域的技術(shù)具有巨大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景。
客觀而論,目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究的內(nèi)容還僅僅限于擴展了計算機的接口能力和剛剛涉及到人的感知系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)與計算機的結(jié)合作用問題,還根本未涉及“人在實踐中得到的感覺信息是怎樣在人的大腦中存儲和加工處理成為人對客觀世界的認(rèn)識”這一重要過程。只有當(dāng)真正開始涉及并找到對這些問題的技術(shù)實現(xiàn)途徑時,人和信息處理系統(tǒng)間的隔閡才有可能被徹底的克服了。我們期待這有朝一日,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)成為一種對多維信息處理的強大系統(tǒng),成為人進行思維和創(chuàng)造的助手和對人們已有的概念進行深化和獲取新概念的有力工具。
我們相信隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,計算機3D運算
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