虛擬現(xiàn)實(shí)概述與思考

1、虛擬現(xiàn)實(shí)：概述與思考董士海，北京大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授，博士生導(dǎo)師，圖形研究室主任，兼任中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)cad及圖形學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)圖像圖形學(xué)會(huì)理事，先后參加了我國(guó)第一臺(tái)百萬(wàn)次計(jì)算機(jī)（150機(jī)）、計(jì)算機(jī)漢字激光照排系統(tǒng)（748工程）等研制及多個(gè)國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目研究。面對(duì)當(dāng)前知識(shí)經(jīng)濟(jì)、信息產(chǎn)業(yè)和國(guó)防現(xiàn)代化迅速發(fā)展的形勢(shì)，我國(guó)政府、軍隊(duì)和企業(yè)十分重視信息技術(shù)的創(chuàng)新研究和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，正制定和實(shí)施包括基礎(chǔ)研究、高技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)攻關(guān)在內(nèi)的各類國(guó)家規(guī)劃，并已經(jīng)或準(zhǔn)備給予大量投入。作為技術(shù)發(fā)展重要驅(qū)動(dòng)力的“虛擬現(xiàn)實(shí)”，又一次成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。概念與回顧什么是虛擬現(xiàn)實(shí)？“虛擬現(xiàn)實(shí)”（virtual realit

2、y，簡(jiǎn)稱vr）是1989年美國(guó)的jlanier（后來(lái)曾是專做vr產(chǎn)品的vpl公司董事長(zhǎng)）提出的，國(guó)內(nèi)也有人譯為“靈境”、“幻真”等，國(guó)外與虛擬現(xiàn)實(shí)同類的術(shù)語(yǔ)，還有虛擬環(huán)境、人工現(xiàn)實(shí)及電腦空間等。所謂“虛擬現(xiàn)實(shí)”，是用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)生成一個(gè)逼真的三維視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)或嗅覺(jué)等感覺(jué)世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對(duì)這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。這一定義強(qiáng)調(diào)的是：逼真的感覺(jué)、自然的交互、個(gè)人的視點(diǎn)及迅速的響應(yīng)。虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)綜合的技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感技術(shù)及人工智能技術(shù)等，需要計(jì)算機(jī)、心理學(xué)、人類工程學(xué)（ergonomics）等專家共同開(kāi)發(fā)研究。

3、90年代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展很快，各種開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備或系統(tǒng)的公司成立，但虛擬現(xiàn)實(shí)離實(shí)際應(yīng)用仍很遠(yuǎn)，已有的成果大多只能稱為“演示”或“玩具”。最具吸引力的領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)難度很大的綜合技術(shù)，要達(dá)到逼真的多種感覺(jué)和實(shí)時(shí)的自然交互是非常不容易的。例如：逼真的立體視感（沉浸感）需要寬視野和高分辨率的顯示設(shè)備，而現(xiàn)有的頭盔顯示器不僅分辨率低、價(jià)格貴，而且?guī)г陬^上更是不方便；又如，要對(duì)大型地理數(shù)據(jù)（如地形圖）進(jìn)行三維瀏覽和交互處理，往往響應(yīng)時(shí)間很慢；至于觸覺(jué)反饋或嗅覺(jué)設(shè)備離實(shí)用更有很大距離，等等。虛擬現(xiàn)實(shí)涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有：大規(guī)模數(shù)據(jù)的場(chǎng)景建模技術(shù)；動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的立體視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等生成技術(shù)；三維定位、方向跟

4、蹤、觸覺(jué)反饋等傳感技術(shù)和設(shè)備；符合人類認(rèn)知心理的三維自然交互技術(shù)；三維交互軟件及系統(tǒng)集成技術(shù)等。由于虛擬現(xiàn)實(shí)具有極其重要的應(yīng)用前景，因而促使人們不斷去創(chuàng)新、克服困難！哪些方面是最有吸引力的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域呢？軍事。美國(guó)國(guó)防部和軍方認(rèn)為：虛擬現(xiàn)實(shí)將在武器系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)、武器操縱訓(xùn)練及指揮大規(guī)模軍事演習(xí)三方面發(fā)揮重大作用。他們制定了戰(zhàn)爭(zhēng)綜合演示廳計(jì)劃、防務(wù)仿真交互網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃、綜合戰(zhàn)役橋計(jì)劃及虛擬座艙等應(yīng)用環(huán)境，并在核武器試驗(yàn)及許多局部戰(zhàn)爭(zhēng)中進(jìn)行了應(yīng)用。航天航空。美國(guó)宇航局是虛擬現(xiàn)實(shí)最早的研究單位和應(yīng)用者。宇宙飛船及各類航空器是需耗費(fèi)巨資的現(xiàn)代化工具，而進(jìn)入宇宙有大量未知、危險(xiǎn)的因素，因而模擬各種航空器

5、可能遇到的環(huán)境，不僅可節(jié)省大量費(fèi)用，而且是十分必要的。虛擬風(fēng)洞就是一例。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。各種工業(yè)產(chǎn)品、建筑物均需反復(fù)構(gòu)思和設(shè)計(jì)，但往往用戶仍不滿意。美國(guó)波音公司butler設(shè)計(jì)了一架稱為vsx的虛擬飛機(jī)，它可使設(shè)計(jì)人員有身臨其境觀察飛機(jī)外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及布局的效果。建筑設(shè)計(jì)師可在蓋樓前通過(guò)虛擬建筑物，讓用戶自己來(lái)觀察外形和內(nèi)部房間部位，也便于設(shè)計(jì)師修改設(shè)計(jì)。外科手術(shù)和人體器官的模擬。外科醫(yī)生的培訓(xùn)是一項(xiàng)投資大、時(shí)間長(zhǎng)的工作，這是因?yàn)椴荒茈S便讓實(shí)習(xí)醫(yī)生在病人身上動(dòng)手術(shù)，可是不親自動(dòng)手，又如何學(xué)會(huì)手術(shù)呢？虛擬手術(shù)臺(tái)已能部分模仿外科手術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)。同樣，提供模擬的人體器官，可讓學(xué)生逼真地觀察器官內(nèi)部的構(gòu)造

6、和病灶，具有極高的實(shí)驗(yàn)價(jià)值?？茖W(xué)研究和計(jì)算的可視化。各種分子結(jié)構(gòu)模型、大壩應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果、地震石油勘探數(shù)據(jù)處理等，均十分需要三維（甚至多維）圖形可視化的顯示和交互瀏覽，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為科學(xué)研究、探索微觀形態(tài)等提供了形象直觀的工具。遠(yuǎn)程控制。虛擬現(xiàn)實(shí)可采用遙控手段，通過(guò)機(jī)械手、機(jī)器人對(duì)危險(xiǎn)或有毒環(huán)境進(jìn)行操作。教育、游戲與其他。這是向人們，尤其是青少年提供生動(dòng)的課堂和娛樂(lè)手段的好機(jī)遇，它具有三維聲像效果，能進(jìn)行交互操作的功能，因而已被商家們看好，競(jìng)相開(kāi)發(fā)低檔虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品。圖1給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，包括：主計(jì)算機(jī)，用來(lái)生成各種虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景，進(jìn)行各種實(shí)時(shí)計(jì)算和處理；一個(gè)雙筒全方位監(jiān)視器（boo

7、m），作為視覺(jué)設(shè)備，供人們觀察用；另外，有一個(gè)數(shù)據(jù)手套作為三維自然交互的輸入設(shè)備，供人們操作。這個(gè)系統(tǒng)里并沒(méi)有立體聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)及分布環(huán)境。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又有了很大的發(fā)展，主要是：1）使用基于圖像的繪制技術(shù)（或與圖形繪制相結(jié)合），以提高圖形生成的速度；2）各種新的交互設(shè)備，譬如雙手輸入技術(shù)，三維力反饋設(shè)備，美國(guó)sensable tech公司的phantom系統(tǒng)等；3）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality），也稱混合現(xiàn)實(shí)，它是將真實(shí)環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)的景象結(jié)合起來(lái)的一種技術(shù)，既可減少生成復(fù)雜環(huán)境的開(kāi)銷，又便于對(duì)實(shí)際物體的操作；4）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，在因特網(wǎng)（包括高速internet）環(huán)境下

8、，充分利用各地資源的優(yōu)勢(shì)，協(xié)同開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用，如美國(guó)大型軍用交互仿真系統(tǒng)npsnet及因特網(wǎng)上多人游戲mud等；5）多通道人機(jī)交互技術(shù)，即采用人體多種自然交互手段向系統(tǒng)輸入，如手勢(shì)、語(yǔ)音、頭部或身體動(dòng)作等。實(shí)際應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大體可分為四類：1）桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，也稱窗口中的vr，它成本低，主要用于cadcam、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域；2）沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，使用頭盔顯示器把用戶的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及其他感覺(jué)封閉起來(lái)，產(chǎn)生一種身臨其境的錯(cuò)覺(jué)；3）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它建立在沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和分布式交互仿真（distributed interaction simulation）的基礎(chǔ)上；4）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。圖1

9、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)框圖關(guān)于未來(lái)的思考虛擬現(xiàn)實(shí)是技術(shù)，還是媒體的欺騙？虛擬現(xiàn)實(shí)為何可能？這是一個(gè)古老的哲學(xué)問(wèn)題。我們是處在現(xiàn)實(shí)中，還是在我們自己的感覺(jué)世界中？對(duì)于個(gè)人來(lái)說(shuō)，更直接的是感覺(jué)世界。以視覺(jué)為例，我們看到的一切，不過(guò)是視網(wǎng)膜上的影像。從這一角度出發(fā)，我們應(yīng)和心理學(xué)家、生理學(xué)家一起，認(rèn)真研究人類的感知問(wèn)題。虛擬現(xiàn)實(shí)有其二重性：對(duì)于人的感官來(lái)說(shuō)，它是真實(shí)存在的；對(duì)于所構(gòu)造的物體來(lái)說(shuō)，它又是不存在的。因此，能利用這一技術(shù)模仿許多高成本的、對(duì)人有危險(xiǎn)的、或目前尚未出現(xiàn)的真實(shí)環(huán)境，人們可對(duì)它進(jìn)行分析研究、仿真操作及改進(jìn)設(shè)計(jì)等。技術(shù)現(xiàn)狀。虛擬現(xiàn)實(shí)目前在技術(shù)上仍處于探索中，90年代初有了較大的發(fā)展，如cav

10、e及分布式vr，但后來(lái)有一段時(shí)間發(fā)展相當(dāng)緩慢，由于響應(yīng)慢、真實(shí)感差，人們只是把它當(dāng)作“玩具”或“演示”而已。近來(lái)，隨著因特網(wǎng)技術(shù)、基于圖像繪制技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等的進(jìn)展，虛擬現(xiàn)實(shí)又有不少新的成果。重視人機(jī)交互的研究。說(shuō)到底，虛擬現(xiàn)實(shí)是一種新的人機(jī)交互范式。與以前任何人機(jī)交互形式相比，它有希望徹底實(shí)現(xiàn)“和諧的、擬人化的”人機(jī)界面。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有三個(gè)重要特點(diǎn)：沉浸感（immersion）、交互性（interaction）和構(gòu)想性（imagination），這決定了它與以往人機(jī)交互技術(shù)的不同，反映了人機(jī)關(guān)系的演化過(guò)程。在復(fù)雜系統(tǒng)中，可能有許多參與者共同在網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境中協(xié)同工作，各領(lǐng)域?qū)＜倚杪?lián)合起來(lái)開(kāi)展研

11、究，協(xié)同攻關(guān)。關(guān)于信息可視化。信息可視化是科學(xué)計(jì)算可視化的擴(kuò)展，通常是指不包括科學(xué)計(jì)算可視化的其他領(lǐng)域可視化技術(shù)，如商業(yè)、金融可視化、軟件可視化等。多數(shù)情況下，信息可視化及科學(xué)計(jì)算可視化并不需要采用昂貴的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，而用普通二維、三維圖形技術(shù)即可達(dá)到要求，這樣更便于推廣和普及。關(guān)于投入。現(xiàn)在各個(gè)部門均逐漸重視虛擬現(xiàn)實(shí)的研究與開(kāi)發(fā)，并在規(guī)劃中給予了較大的投入，這是十分必要的。但我們國(guó)家財(cái)力有限，應(yīng)集中各個(gè)渠道的經(jīng)費(fèi)，開(kāi)發(fā)一些重點(diǎn)應(yīng)用，投入使用，以產(chǎn)生效益，而不應(yīng)該分散財(cái)力，只做幾個(gè)“原型”。國(guó)家在安排主要財(cái)力開(kāi)發(fā)大型“沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)”的同時(shí)，應(yīng)給予一定的投入，支持各種小型桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)。目前，因特網(wǎng)的應(yīng)用是一個(gè)大好機(jī)