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_虛擬現實

虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真使用戶沉浸到該環境中。

簡介

虛擬現實技術是仿真技術的一個重要方向，是仿真技術與計算機圖形學人機接口技術多媒體技術傳感技術網絡技術等多種技術的集合，是一門富有挑戰性的交叉技術前沿學科和研究領域。虛擬現實技術(VR)主要包括模擬環境、感知、自然技能和傳感設備等方面。模擬環境是由計算機生成的、實時動態的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應該具有一切人所具有的感知。除計算機圖形技術所生成的視覺感知外，還有聽覺、觸覺、力覺、運動等感知，甚至還包括嗅覺和味覺等，也稱為多感知。自然技能是指人的頭部轉動，眼睛、手勢、或其他人體行為動作，由計算機來處理與參與者的動作相適應的數據，并對用戶的輸入作出實時響應，并分別反饋到用戶的五官。傳感設備是指三維交互設備。

發展歷史

虛擬現實技術演變發展史大體上可以分為四個階段：有聲形動態的模擬是蘊涵虛擬現實思想的第一階段（1963年以前）；虛擬現實萌芽為第二階段（1963 -1972 ）；虛擬現實概念的產生和理論初步形成為第三階段（1973 -1989 ）；虛擬現實理論進一步的完善和應用為第四階段（1990 -2004 ）。

特征

多感知性

指除一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至還包括味覺、嗅覺、感知等。理想的虛擬現實應該具有一切人所具有的感知功能。

存在感

指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該達到使用戶難辨真假的程度。

交互性

指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度。

自主性

指虛擬環境中的物體依據現實世界物理運動定律動作的程度。

關鍵技術

虛擬現實是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術，廣角（寬視野）立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等。下面對這些技術分別加以說明。

實時三維計算機圖形

相比較而言，利用計算機模型產生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準確的模型，又有足夠的時間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關鍵是實時。例如在飛行模擬系統中，圖像的刷新相當重要，同時對圖像質量的要求也很高，再加上非常復雜的虛擬環境，問題就變得相當困難。

顯示

人看周圍的世界時，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子里融合起來，就形成了一個關于周圍世界的整體景象，這個景象中包括了距離遠近的信息。當然，距離信息也可以通過其他方法獲得，例如眼睛焦距的遠近、物體大小的比較等。

在VR系統中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統采用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產生了立體感。

用戶（頭、眼）的跟蹤：在人造環境中，每個物體相對于系統的坐標系都有一個位置與姿態，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來確定的。

跟蹤頭部運動的虛擬現實頭套：在傳統的計算機圖形技術中，視場的改變是通過鼠標或鍵盤來實現的，用戶的視覺系統和運動感知系統是分離的，而利用頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統和運動感知系統之間就可以聯系起來，感覺更逼真。另一個優點是，用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認識環境，而且可以通過頭部的運動去觀察環境。

在用戶與計算機的交互中，鍵盤和鼠標是目前最常用的工具，但對于三維空間來說，它們都不太適合。在三維空間中因為有六個自由度，我們很難找出比較直觀的辦法把鼠標的平面運動映射成三維空間的任意運動。現在，已經有一些設備可以提供六個自由度，如3Space數字化儀和SpaceBall空間球等。另外一些性能比較優異的設備是數據手套和數據衣。

聲音

人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強度的差別來確定聲音的方向，因為聲音到達兩只耳朵的時間或距離有所不同。常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來實現的，所以會有一種方向感。現實生活里，當頭部轉動時，聽到的聲音的方向就會改變。但目前在VR系統中，聲音的方向與用戶頭部的運動無關。

感覺反饋

在一個VR系統中，用戶可以看到一個虛擬的杯子。你可以設法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺。

語音

在VR系統中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環境能聽懂人的語言，并能與人實時交互。而讓計算機識別人的語音是相當困難的，因為語音信號和自然語言信號有其“多邊性”和復雜性。例如，連續語音中詞與詞之間沒有明顯的停頓，同一詞、同一字的發音受前后詞、字的影響，不僅不同人說同一詞會有所不同，就是同一人發音也會受到心理、生理和環境的影響而有所不同。

使用人的自然語言作為計算機輸入目前有兩個問題，首先是效率問題，為便于計算機理解，輸入的語音可能會相當啰嗦。其次是正確性問題，計算機理解語音的方法是對比匹配，而沒有人的智能。

技術特點

VR藝術是伴隨著“虛擬現實時代”的來臨應運而生的一種新興而獨立的藝術門類，在《虛擬現實藝術： 形而上的終極再創造》一文中，關于VR藝術有如下的定義：“以虛擬現實（VR）、增強現實（AR）等人工智能技術作為媒介手段加以運用的藝術形式，我們稱之為虛擬現實藝術，簡稱VR藝術。該藝術形式的主要特點是超文本性和交互性。”

“作為現代科技前沿的綜合體現，VR藝術是通過人機界面對復雜數據進行可視化操作與交互的一種新的藝術語言形式，它吸引藝術家的重要之處，在于藝術思維與科技工具的密切交融和二者深層滲透所產生的全新的認知體驗。與傳統視窗操作下的新媒體藝術相比，交互性和擴展的人機對話，是VR藝術呈現其獨特優勢的關鍵所在。從整體意義上說，VR藝術是以新型人機對話為基礎的交互性的藝術形式，其最大優勢在于建構作品與參與者的對話，通過對話揭示意義生成的過程。

藝術家通過對VR、AR等技術的應用，可以采用更為自然的人機交互手段控制作品的形式，塑造出更具沉浸感的藝術環境和現實情況下不能實現的夢想，并賦予創造的過程以新的含義。如具有VR性質的交互裝置系統可以設置觀眾穿越多重感官的交互通道以及穿越裝置的過程，藝術家可以借助軟件和硬件的順暢配合來促進參與者與作品之間的溝通與反饋，創造良好的參與性和可操控性；也可以通過視頻界面進行動作捕捉，儲存訪問者的行為片段，以保持參與者的意識增強性為基礎，同步放映增強效果和重新塑造、處理過的影像；通過增強現實、混合現實等形式，將數字世界和真實世界結合在一起，觀眾可以通過自身動作控制投影的文本，如數據手套可以提供力的反饋，可移動的場景、360度旋轉的球體空間不僅增強了作品的沉浸感，而且可以使觀眾進入作品的內部，操縱它、觀察它的過程，甚至賦予觀眾參與再創造的機會。”

技術應用

醫學

VR在醫學方面的應用具有十分重要的現實意義。在虛擬環境中，可以建立虛擬的人體模型，借助于跟蹤球、HMD、感覺手套，學生可以很容易了解人體內部各器官結構，這比現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訓練器，用于腿部及腹部外科手術模擬。這個虛擬的環境包括虛擬的手術臺與手術燈，虛擬的外科工具（如手術刀、注射器、手術鉗等），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。但該系統有待進一步改進，如需提高環境的真實感，增加網絡功能，使其能同時培訓多個使用者，或可在外地專家的指導下工作等。手術后果預測及改善殘疾人生恬狀況，乃至新型藥物的研制等方面，VR技術都有十分重要的意義。

在醫學院校，學生可在虛擬實驗室中，進行“尸體”解剖和各種手術練習。用這項技術，由于不受標本、場地等的限制，所以培訓費用大大降低。一些用于醫學培訓、實習和研究的虛擬現實系統，仿真程度非常高，其優越性和效果是不可估量和不可比擬的。例如，導管插入動脈的模擬器，可以使學生反復實踐導管插入動脈時的操作；眼睛手術模擬器，根據人眼的前眼結構創造出三維立體圖像，并帶有實時的觸覺反饋，學生利用它可以觀察模擬移去晶狀體的全過程，并觀察到眼睛前部結構的血管、虹膜和鞏膜組織及角膜的透明度等。還有麻醉虛擬現實系統、口腔手術模擬器等。

外科醫生在真正動手術之前，通過虛擬現實技術的幫助，能在顯示器上重復地模擬手術，移動人體內的器官，尋找最佳手術方案并提高熟練度。在遠距離遙控外科手術，復雜手術的計劃安排，手術過程的信息指導，手術后果預測及改善殘疾人生活狀況，乃至新藥研制等方面，虛擬現實技術都能發揮十分重要的作用。 [1]

娛樂

豐富的感覺能力與3D顯示環境使得VR成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂方面對VR的真實感要求不是太高，故近些年來VR在該方面發展最為迅猛。如Chicago（芝加哥）開放了世界上第一臺大型可供多人使用的VR娛樂系統，其主題是關于3025年的一場未來戰爭；英國開發的稱為“Virtuality”的VR游戲系統，配有HMD，大大增強了真實感；1992年的一臺稱為“Legeal Qust”的系統由于增加了人工智能功能，使計算機具備了自學習功能，大大增強了趣味性及難度，使該系統獲該年度VR產品獎。另外在家庭娛樂方面VR也顯示出了很好的前景。

作為傳輸顯示信息的媒體，VR在未來藝術領域方面所具有的潛在應用能力也不可低估。VR所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態的藝術（如油畫、雕刻等）轉化為動態的，可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術。另外，VR提高了藝術表現能力，如一個虛擬的音樂家可以演奏各種各樣的樂器，手足不便的人或遠在外地的人可以在他生活的居室中去虛擬的音樂廳欣賞音樂會等等。

對藝術的潛在應用價值同樣適用于教育，如在解釋一些復雜的系統抽象的概念如量子物理等方面，VR是非常有力的工具，Lofin等人在1993年建立了一個“虛擬的物理實驗室”，用于解釋某些物理概念，如位置與速度，力量與位移等。

軍事航天

模擬訓練一直是軍事與航天工業中的一個重要課題，這為VR提供了廣闊的應用前景。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SIMNET的虛擬戰場系統，以提供坦克協同訓練，該系統可聯結200多臺模擬器。另外利用VR技術，可模擬零重力環境，替非標準的水下訓練宇航員的方法。

室內設計

虛擬現實不僅僅是一個演示媒體，而且還是一個設計工具。它以視覺形式反映了設計者的思想，比如裝修房屋之前，你首先要做的事是對房屋的結構、外形做細致的構思，為了使之定量化，你還需設計許多圖紙，當然這些圖紙只能內行人讀懂，虛擬現實可以把這種構思變成看得見的虛擬物體和環境，使以往只能借助傳統的設計模式提升到數字化的即看即所得的完美境界，大大提高了設計和規劃的質量與效率。運用虛擬現實技術，設計者可以完全按照自己的構思去構建裝飾“虛擬”的房間，并可以任意變換自己在房間中的位置，去觀察設計的效果，直到滿意為止。既節約了時間，又節省了做模型的費用。