虛擬現實(shí)研究現狀及發(fā)展趨勢

                                               
        虛擬現實(shí)(Viaual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)作為一種綜合計算機圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、立體顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的計算機領(lǐng)域的新技術(shù)，目前所涉及的研究應用領(lǐng)域已經(jīng)包括軍事、醫學(xué)、心理學(xué)、教育、科研、商業(yè)、影視、娛樂(lè )、制造業(yè)、工程訓練等。VR技術(shù)已經(jīng)被公認為是21世紀重要的發(fā)展學(xué)科以及影響人們生活的重要技術(shù)之一。
　　1 、虛擬現實(shí)技術(shù)的內涵與特征
　　VR技術(shù)最早起源于20世紀50年代的美國，發(fā)展至今也還處于不斷探索階段。同時(shí)由于軟硬件環(huán)境的限制和研究應用方向的不同，人們對虛擬現實(shí)技術(shù)的理解也仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智。綜合來(lái)說(shuō)，VR技術(shù)是一種綜合應用各種技術(shù)制造逼真的人工模擬環(huán)境，并能有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知系統行為的高級的人機交互技術(shù)。虛擬環(huán)境通常是由計算機生成并控制的，使用戶(hù)身臨其境地感知虛擬環(huán)境中的物體，通過(guò)虛擬現實(shí)的三維設備與物體接觸，從而真正地實(shí)現人機交互?？梢哉f(shuō)人處在虛擬環(huán)境之中跟現實(shí)環(huán)境是沒(méi)有差別的。[1]
　　VR技術(shù)的發(fā)展始終圍繞它的三個(gè)特征而前進(jìn)，即沉浸感、交互性和構想。這三個(gè)重要特征與其相鄰近的技術(shù)(如多媒體技術(shù)、計算機可視化技術(shù)等)相區別。沉浸感，是指計算機生成的虛擬世界能給人一種身臨其境的感覺(jué)，如同進(jìn)入了一個(gè)真實(shí)的客觀(guān)世界；交互性，是指人能夠很自然地跟虛擬世界中的對象進(jìn)行交互操作或者交流；構想，是指虛擬環(huán)境可使人沉浸其中并且獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而深化概念并萌發(fā)新意。因而可以說(shuō)，虛擬現實(shí)可以啟發(fā)人的創(chuàng )造性思維。
　　2、 國外虛擬現實(shí)技術(shù)的研究現狀
　　VR技術(shù)最早在20世紀中期由美國VPL探索公司和它的創(chuàng )始人Jamn IJaIlier提出這一概念，后來(lái)美國宇航局
(NASA)的艾姆斯空間中心利用流行的液晶顯示電視和其它設備，開(kāi)始研制低成本的虛擬現實(shí)系統，推動(dòng)了該技術(shù)硬件的進(jìn)步。目前，虛擬現實(shí)技術(shù)已獲得了長(cháng)足的發(fā)展。在國內，20世紀80年代末開(kāi)始進(jìn)行研究，目前還處于初級階段。
　　2．1 美國虛擬現實(shí)技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)
　　美國作為VR技術(shù)的發(fā)源地，其研究水平基本上就代表國際VR發(fā)展的水平。目前美國在該領(lǐng)域的基礎研究主要集中在感知、用戶(hù)界面、后臺軟件和硬件四個(gè)方面。l2美國宇航局(NASA)的Ames實(shí)驗室研究主要集中在以下方面：將數據手套工程化，使其成為可用性較高的產(chǎn)品；在約翰遜空間中心完成空間站操縱的實(shí)時(shí)仿真；大量運用了面向座艙的飛行模擬技術(shù)；對哈勃太空望遠鏡的仿真?，F在正致力于一個(gè)叫“虛擬行星探索”(vPE)的試驗計劃。[3 ]現在NASA己經(jīng)建立了航空、衛星維護VR訓練系統，空間站VR訓練系統，并且已經(jīng)建立了可供全國使用的VR教育系統。北卡羅來(lái)納大學(xué)(UNC)的計算機系是進(jìn)行VR研究最早的大學(xué)，他們主要研究分子建模、航空駕駛、外科手術(shù)仿真、建筑仿真等。Loma lAnda大學(xué)醫學(xué)中心的David Warner博士和他的研究小組成功地將計算機圖形及VR的設備用于探討與神經(jīng)疾病相關(guān)的問(wèn)題，首創(chuàng )了VR兒科治療法。麻省理工學(xué)院(MIT)是研究人工智能、機器人和計算機圖形學(xué)及動(dòng)畫(huà)的先鋒，這些技術(shù)都是VR技術(shù)的基礎，1985年M1T成立了媒體實(shí)驗室，進(jìn)行虛擬環(huán)境的正規研究。華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心的人機界面技術(shù)實(shí)驗室(1ilT lab)，將VR研究引入了教育、設計、娛樂(lè )和制造領(lǐng)域。從90年代初起，美國率先將虛擬現實(shí)技術(shù)用于軍事領(lǐng)域，主要用于以下四個(gè)方面：虛擬戰場(chǎng)環(huán)境；進(jìn)行單兵模擬訓練；實(shí)施諸軍兵種聯(lián)合演習；進(jìn)行指揮員訓練。
　　2．2 英國和日本虛擬現實(shí)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)
　　在VR開(kāi)發(fā)的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設備(包括觸覺(jué)反饋)設計和應用研究方面，英國是領(lǐng)先的，尤其是在歐洲。英國主要有四個(gè)從事VR技術(shù)研究的中心：[4]Windustries(工業(yè)集團公司)，是國際VR界的著(zhù)名開(kāi)發(fā)機構，在工業(yè)設計和可視化等重要領(lǐng)域占有一席之地；BritishAerospace(英國航空公司BAe)的Brough分部，正在利用VR技術(shù)設計高級戰斗機座艙；Dimension International，是桌面VR的先驅。該公司生產(chǎn)了一系列的商業(yè)VR軟件包，都命名為Superscape；Divison LTD公司在開(kāi)發(fā)VISION、Pro Vision和su—pervision系統／模塊化高速圖形引擎中，率先使用了Tmnsputer和i860技術(shù)。日本主要致力于建立大規模VR知識庫的研究，在虛擬現實(shí)的游戲方面的研究也處于領(lǐng)先地位。京都的先進(jìn)電子通信研究所(ATR)正在開(kāi)發(fā)一套系統，它能用圖像處理來(lái)識別手勢和面部表情，并把它們作為系統輸入；富士通實(shí)驗室有限公司正在研究虛擬生物與VR環(huán)境的相互作用，他們還在研究虛擬現實(shí)中的手勢識別，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )姿勢識別系統，該系統可以識別姿勢，也可以識別表示詞的信號語(yǔ)言。[2 ]日本奈良尖端技術(shù)研究生院大學(xué)教授千原國宏領(lǐng)導的研究小組于2004年開(kāi)發(fā)出一種嗅覺(jué)模擬器，只要把虛擬空間里的水果拉到鼻尖上一聞，裝置就會(huì )在鼻尖處放出水果的香味，這是虛擬現實(shí)技術(shù)在嗅覺(jué)研究領(lǐng)域的一項突破。
　　3 、我國虛擬現實(shí)技術(shù)的研究現狀
　　我國VR技術(shù)研究起步較晚，與國外發(fā)達國家還有一定的差距，但現在已引起國家有關(guān)部門(mén)和科學(xué)家們的高度重視，并根據我國的國情，制定了開(kāi)展VR技術(shù)的研究計劃。九五規劃、國家自然科學(xué)基金委、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃等都把VR列入了研究項目。國內一些重點(diǎn)院校，已積極投入到了這一領(lǐng)域的研究工作。北京航空航天大學(xué)計算機系是國內最早進(jìn)行VR研究、最有權威的單位之一，并在以下方面取得進(jìn)展：著(zhù)重研究了虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現實(shí)中的視覺(jué)接口方面開(kāi)發(fā)出部分硬件，并提出有關(guān)算法及實(shí)現方法；實(shí)現了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò )設計，可以提供實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)數據庫、虛擬現實(shí)演示環(huán)境、用于飛行員訓練的虛擬現實(shí)系統、虛擬現實(shí)應用系統的開(kāi)發(fā)平臺等。浙江大學(xué)CAD&CG國家重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統，還研制出了在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進(jìn)網(wǎng)格的快速生成算法；哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng)成功地虛擬出了人的高級行為中特定人臉圖像的合成、表情的合成和唇動(dòng)的合成等技術(shù)問(wèn)題；清華大學(xué)計算機科學(xué)和技術(shù)系對虛擬現實(shí)和臨場(chǎng)感的方面進(jìn)行了研究；西安交通大學(xué)信息工程研究所對虛擬現實(shí)中的關(guān)鍵技術(shù)——立體顯示技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種基于JPEG標準壓縮編碼新方案，獲得了較高的壓縮比、信噪比以及解壓速度；北方工業(yè)大學(xué)CAD研究中心是我國最早開(kāi)展計算機動(dòng)畫(huà)研究的單位之一，中國第一部完全用計算機動(dòng)畫(huà)技術(shù)制作的科教片《相似》就出自該中心。
　　4、 虛擬現實(shí)技術(shù)發(fā)展趨勢
　　VR技術(shù)是高度集成的技術(shù)，涵蓋計算機軟硬件、傳感器技術(shù)、立體顯示技術(shù)等。VR技術(shù)的研究?jì)热荽篌w上可分為VR技術(shù)本身的研究和VR技術(shù)應用的研究?jì)纱箢?lèi)。根據vR所傾向的特征的不同，目前虛擬現實(shí)系統主要劃分為四個(gè)層次：即桌面式、增強式、沉浸式和網(wǎng)絡(luò )分布式虛擬現實(shí)。VR技術(shù)的實(shí)質(zhì)是構建一種人能夠與之進(jìn)行自由交互的“世界”，在這個(gè)“世界”中參與者可以實(shí)時(shí)地探索或移動(dòng)其中的對象。沉浸式虛擬現實(shí)是最理想的追求目標，實(shí)現的主要方式主要是戴上特制的頭盔顯示器、數據手套以及身體部位跟蹤器，通過(guò)聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)和視覺(jué)在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行體驗。桌面式虛擬現實(shí)系統被稱(chēng)為“窗口仿真”，盡管有一定的局限性，但由于成本低廉而仍然得到了廣泛應用。增強式虛擬現實(shí)系統主要用來(lái)為一群戴上立體眼鏡的人觀(guān)察虛擬環(huán)境，性能介于以上兩者之間，也成為開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)之一?？傮w上看，縱觀(guān)多年來(lái)的發(fā)展歷程，VR技術(shù)的未來(lái)研究仍將遵循“低成本、高性能”這一原則，從軟件、硬件上展開(kāi)，并將在以下主要方向發(fā)展： [5]
　　4．1 動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)
　　虛擬環(huán)境的建立是VR技術(shù)的核心內容，動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數據，并根據需要建立相應的虛擬環(huán)境模型。
　　4．2 實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示技術(shù)
　　三維圖形的生成技術(shù)已比較成熟，而關(guān)鍵是如何“實(shí)時(shí)生成”，在不降低圖形的質(zhì)量和復雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是今后重要的研究?jì)热?。此外，VR還依賴(lài)于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，現有的虛擬設備還不能滿(mǎn)足系統的需要，有必要開(kāi)發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術(shù)。
　　4．3 新型交互設備的研制
　　虛擬現實(shí)實(shí)現人能夠自由地與虛擬世界中的對象進(jìn)行交互，猶如身臨其境，借助的輸入輸出設備主要有頭盔顯示器、數據手套、數據衣服、三維位置傳感器和三維聲音產(chǎn)生器等。因此，新型、便宜、魯棒性?xún)?yōu)良的數據手套和數據服將成為未來(lái)研究的重要方向。
　　4．4 智能化語(yǔ)音虛擬現實(shí)建模
　　虛擬現實(shí)建模是一個(gè)比較繁復的過(guò)程，需要大量的時(shí)間和精力。如果將VR技術(shù)與智能技術(shù)、語(yǔ)音識別技術(shù)結合起來(lái)，可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。我們對模型的屬性、方法和一般特點(diǎn)的描述通過(guò)語(yǔ)音識別技術(shù)轉化成建模所需的數據，然后利用計算機的圖形處理技術(shù)和人工智能技術(shù)進(jìn)行設計、導航和評價(jià)，將基本模型用對象表示出來(lái)，并邏輯地將各種基本模型靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地連接起來(lái)，最后形成系統模型。在各種模型形成后進(jìn)行評價(jià)并給出結果，并由人直接通過(guò)語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編輯和確認。
　　4．5 大型網(wǎng)絡(luò )分布式虛擬現實(shí)(Distributed Virtual Reality，DVR)的應用
　　網(wǎng)絡(luò )分布式虛擬現實(shí)將分散的虛擬現實(shí)系統或仿真器通過(guò)網(wǎng)絡(luò )聯(lián)結起來(lái)，采用協(xié)調一致的結構、標準、協(xié)議和數據庫，形成一個(gè)在時(shí)間和空間上互相耦合的虛擬，合成環(huán)境，參與者可自由地進(jìn)行交互作用。目前，分布式虛擬交互仿真已成為國際上的研究熱點(diǎn)，相繼推出了DIS、mA等相關(guān)標準。網(wǎng)絡(luò )分布式VR在航天中極具應用價(jià)值，例如，國際空間站的參與國分布在世界不同區域，分布式VR訓練環(huán)境不需要在各國重建仿真系統，這樣不僅減少了研制費設備費用，而且也減少了人員出差的費用和異地生活的不適。
　　5 、總結
　　虛擬現實(shí)技術(shù)是本世紀發(fā)展的重要技術(shù)之一，作為一門(mén)科學(xué)和藝術(shù)將會(huì )不斷走向成熟，在各行各業(yè)中將得到廣泛應用，并發(fā)揮神奇的作用，二十一世紀將是虛擬現實(shí)技術(shù)的時(shí)代。（來(lái)源：虛擬現實(shí)技術(shù)論壇）