虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展與應用

1、    虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展與應用    王子騰摘 要 虛擬現(xiàn)實技術是當代蓬勃發(fā)展的熱門技術，其在各行各業(yè)所能創(chuàng)造的價值吸引著眾多學者投身研究。文章將簡單介紹虛擬現(xiàn)實的發(fā)展歷史、技術原理以及在生活中的應用，并簡要分析虛擬現(xiàn)實技術的未來發(fā)展空間。關鍵詞 虛擬現(xiàn)實；沉浸性；實時交互行；構想性g2 a 1674-6708（2018）221-0159-02幾個月前，一部名叫頭號玩家的電影沖擊了整個電影界。在電影中人們只要戴上一種頭盔就能進入一個與混亂的現(xiàn)實世界形成鮮明反差的虛擬世界，并在這個虛擬世界中扮演各種各樣的英雄，實現(xiàn)各種各樣的夢想。電影中的這項神奇的技術正

2、是這幾年計算機界飛速發(fā)展的熱門技術虛擬現(xiàn)實技術。虛擬現(xiàn)實技術可以為人們提供非同尋常的趣味體驗并在各行各業(yè)上發(fā)揮價值。1 虛擬現(xiàn)實的概述虛擬現(xiàn)實技術即vr又稱靈境技術，人工環(huán)境，是一種用計算機模擬出一個虛擬的三維空間環(huán)境，使用戶可以借助特殊的硬件軟件來獲得視覺、觸覺、聽覺等感官感受，且計算機能夠感知用戶的位置，動作等狀態(tài)并作出回應，通過人機交互讓用戶獲得一種真實感與身臨其境的感覺。1）虛擬現(xiàn)實的發(fā)展歷史。我認為虛擬現(xiàn)實的發(fā)展可以被劃分為幾個階段。（1）第一階段。首先是1968年前的科學幻想階段，在這個階段誕生了幾位“科學幻想派”科學家，他們在紙上對虛擬現(xiàn)實技術作出了自己的設想，這些科學家幻想出的

3、vr設備在外觀上已經(jīng)與今日的vr十分相似。（2）第二階段。接著第二階段1968年至1985年是vr的初步萌芽階段1，在這個階段中出現(xiàn)了vr的雛形，如“達摩克利斯之劍”，這款vr設備由于重量過重而不得不被懸吊在天花板上以減輕用戶負載。（3）第三階段。第三階段1985年至20世紀末是vr的應用與發(fā)展階段2，在這個階段vr開始滲透到人們的生活之中，主要以游戲娛樂領域為主，但是由于其昂貴的售價、當時匱乏的軟硬件資源、有限的技術過于超前的vr概念，vr設備并沒有獲得市場的認可，與此同時，美國航天局nasa已經(jīng)將vr技術應用到了載人航天上，如圖三所示，無論其命名、設計、還是用戶體驗都跟今天的vr類似。（4

4、）第四階段。最后一個階段是21世紀初至今，進一步發(fā)展，出現(xiàn)了大批現(xiàn)代vr新技術理念與新設備，但vr的發(fā)展至今遠未成熟，還有很長的一段路要走。2）虛擬現(xiàn)實的特性。（1）沉浸性。與過去人們只能觀測計算機的系統(tǒng)及處理結果不同，虛擬現(xiàn)實技術所模擬出的虛擬環(huán)境能為使用者帶來真實的沉浸體驗，使用戶沉浸到整個系統(tǒng)中。（2）實時交互性。與過去人們只能使用單一的鍵盤、鼠標來與計算機交互不同，利用虛擬現(xiàn)實技術用戶可以利用各種先進的傳感器來獲得與計算機更加生動直接的交互體驗。（3）構想性。與過去人們通過計算機的定量計算來認識事物不同，虛擬現(xiàn)實技術能給用戶提供一個全新的，構想性的虛擬環(huán)境來激發(fā)人們的靈感從而加深對事物

5、的認識。2 虛擬現(xiàn)實的有關技術1）空間定位技術。由于用戶在使用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所佩戴的封閉式頭戴顯示器會被暫時隔斷與外界環(huán)境的聯(lián)系，用戶的安全難以保障，一套成熟的空間定位方案不僅可以獲取用戶的實時位置以確保用戶的安全，還可以獲取用戶的姿態(tài)來感知用戶的行為并更好地提供反饋，所以空間定位技術對于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是十分重要的。（1）激光定位技術。激光定位技術的基本原理就是在房間內放置若干個激光發(fā)射器對定位空間內掃射激被定位的物體上安置了數(shù)個激光接收器，通過計算不同光線到達被定位物體的角度差從而獲得物體的三維坐標。物體移動時通過三維坐標的變化來獲知物體的運動信息。激光定位技術精度高，延遲極低，同時支持定位多個

6、目標，但其價格昂貴且耐用性低。代表技術有htc vive的lighthouse定位技術。（2）紅外光學定位技術。紅外光學定位技術分外被動式與主動式。被動式紅外光學定位技術的基本原理是在房間內放置若干個紅外攝像機，被定位物體表面覆蓋有多個紅外反射點，紅外攝像機捕捉這些反射點后再經(jīng)過后續(xù)計算，就能的知物體的運動姿態(tài)與空間位置。而主動式紅外光學定位技術的基本原理是在被定位物體上放置可以發(fā)出紅外線的紅外燈。相對于被動式，主動式的造價要低廉得多，而其精度與壽命也較客觀，非常適合推廣。其缺點是受限于攝像頭的可視角度，用戶的活動范圍與角度不能太大。使用此技術的代表產(chǎn)品有oculus rift。2）實時三維計

7、算機圖形。三維計算機圖形不難生成l，但vr所需三維計算機圖形的高精度與實時性對我們來說是一項挑戰(zhàn)。3）立體顯示技術。要想獲得真實的沉浸感，立體顯示是必不可少的。由于人的兩只眼睛存在間距，其各自所獲取的圖像略有不同，經(jīng)過大腦的融合，最終使看見的物體有空間立體感。vr中所用到的頭盔顯示器大多利用了此原理，使用兩個顯示器分別向兩個眼睛提供具有微小差別的圖像，經(jīng)由大腦感知后獲得立體圖像。3 虛擬現(xiàn)實的有關應用1）教學。一個國家的教育水平直接影響著國家的綜合實力，國家的發(fā)展離不開教育的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術能為教育提供特定的虛擬環(huán)境，為學生帶來沉浸式學習體驗，能夠集中學生的注意力，激發(fā)學生的學習興趣與靈感。

8、試想在未來的歷史課堂上，學生能夠借助vr技術脫離課本上枯燥的文字，進入虛擬世界親身體驗多年前發(fā)生的歷史事件，這不僅能激發(fā)學生的學習興趣，還有助于學生對歷史事件的理解與記憶。2）娛樂。娛樂是當今vr技術的主攻方向之一且已小有成效，其中以游戲娛樂為主。借助vr強大的模擬功能，用戶可以親身體驗各種平時難以體驗的項目隨時隨地滑一場雪，體驗一場槍林彈雨，或是去森林里冒一場險，坐一趟刺激的云霄飛車，又或是到海邊散步，走訪一下異國他鄉(xiāng)vr強大的構想性幾乎可以滿足人們的任何體驗需求。3）建筑。在傳統(tǒng)的建筑設計中，設計師們主要運用草圖和語言文字來展現(xiàn)自己的觀點，這不但需要大量的工作時間，還容易受到設計師表達能力

9、的限制。但借助vr技術，使計算機生成三維空間建筑模型，設計人員只要戴上頭戴式顯示器就能進入正在設計的建筑內，預覽建筑效果，多視角觀測設計方案，對設計方案進行細微調整。這不但減輕了設計師作圖修圖的工作量，還能避免設計師過分依賴個人經(jīng)驗導致實際效果與方案預計產(chǎn)生較大差異。4）軍事。軍事仿真訓練是vr的重要研究領域之一。vr技術的發(fā)展給軍事演習演練帶來了革命性的發(fā)展。vr技術在實戰(zhàn)上依然可以有所貢獻。隨著時代的發(fā)展，無人化與自動化越來越普及，未來的打擊恐怖分子行動中，已經(jīng)沒有陸軍上陣，取而代之的是遠程操控機器人。駕駛員可以在幾千里之外利用虛擬現(xiàn)實技術對其進行操控，vr的沉浸式體驗可以提供身臨戰(zhàn)場的感

10、覺。4 虛擬現(xiàn)實目前的局限性及未來的發(fā)展方向1）畫面清晰度。畫面清晰度直接影響著用戶的體驗。清晰的畫面可以給用戶帶來真實沉浸的體驗，但不清晰的畫面會傷害用戶的視力甚至帶來頭暈惡心的嚴重身體危害。但vr圖形對計算機的性能要求是非常高的。以目前的計算機性能無法在vr上達到與二維顯示器一樣的圖像清晰度，所以難免會出現(xiàn)紗窗效應，影響人們的體驗。在計算機性能不足的今天，也出現(xiàn)了一些解決方案，代表性的一種方案利用了眼球追蹤技術，通過追蹤人們的眼球來判斷用戶目前正在注視的位置，然后集中運算資源來描繪這個區(qū)域，犧牲其他位置的清晰度來保證用戶體驗。但想要從根本上解決這個問題，只有改善vr設備與計算機的性能，這需

11、要我們長時間的研發(fā)。2）使用舒適度。理想中的vr應使人完全沉浸到虛擬世界中，但當今vr繁瑣的限制難以讓人長時間投入虛擬世界。比如說，用戶身后冗長的電纜時刻束縛著用戶的姿態(tài)且威脅到用戶的安全。為解決這個問題，htc已推出了無線版的vive，其無線設計大幅改善了用戶體驗，但為之付出代價的是用戶必須隨身負載一塊重量不菲的電池來維持設備運行。本身不輕的頭盔再加上一塊電池，無疑大大增加了用戶負擔，增加了用戶頸部、背部病變的風險。要解決這個問題，只要通過技術發(fā)展，通過減小芯片制程，使用高強度低密度材料，增大電池密度等手段來減輕用戶負擔，改善用戶體驗。3）交互體驗。要想獲得真實的vr體驗，良好的交互體驗是必不可少的。目前vr設備所能提供的反饋極為有限，通常僅有視覺，聲覺上的反饋，缺少其他感官的交互。而且由于狹小的室內空間，vr設備只能捕捉用戶簡單的動作，用戶難以通過真實的跑動來向vr設備輸入動作信息。對于上述問題，目前都已有解決方案，如穿戴觸覺手套、觸覺背心，都能給予用戶的觸覺反饋體驗；而使用全向跑步機則可以改善用戶的體感體驗。未來還可以通過技術手段來增使用戶獲得嗅覺體驗與全身觸覺，介時用戶就真的可以完全沉浸到虛擬世界中了。5 結