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虚拟现实有关知识

归档日期:06-23       文本归类:知识操作化      文章编辑:爱尚语录

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  虚拟现实是计算机与用户之间的一种更为理想化的人-机界面形式。通常用户戴一个头盔(用来显示立体图象的头式显示器),手持传感手套,仿佛置身于一个幻觉世界中,在虚拟环境中漫游,并允许操作其中的“物体”。与传统计算机相比,虚拟现实系统具有三个重要特征:临境性,交互性,想象性。虚拟现实技术潜在的应用范围很广,诸如国防、建筑设计、工业设计、培训、医学领域。例如建筑设计师可以运用虚拟现实技术向客户提供三维虚拟模型,而外科医生还可以在三维虚拟的病人身上试行一种新的外科手术。

  虚拟现实技术通过20多年的研究探索,于80年代末走出实验室,开始进入实用化阶段。目前,世界上少数发达国家在经济、艺术乃至军事等领域,已开始广泛应用这种高新技术,并取得了显著的综合效益。据外刊报道,美国陆军1994年的“路易斯安娜94”作战演习,就是利用虚拟现实技术进行的。这次演习不但试验论证了美国陆军制定的条令、战术和部队编成,使之更加符合21世纪的作战要求,还节约演习经费近20亿美元。

  那么,什么是虚拟现实技术呢?简单地说,就是人们利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境,通过自然技能使用传感设备与之相互作用的新技术。它与传统的模拟技术完全不同,是将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一,并利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等传感装置。把操作者与计算机生成的三维虚拟环境连结在一起。操作者通过传感器装置与虚拟环境交互作用,可获得视觉、听觉、触觉等多种感知,并按照自己的意愿去改变“不随心”的虚拟环境。比如,计算机虚拟的环境是一座楼房,内有各种设备、物品,操作者会如同身临其境一样,可以通过各种传感装置在屋内行走查看、开门关门、搬动物品;对房屋设计上的不满意之处,还可随意改动。显然,利用这种虚拟现实技术进行建筑、机械、兵器等设计修改,实施技术操作训练和军事演习活动要容易得多,也便宜得多。

  虚拟现实技术一经应用,就向人们展示了诱人的前景,因而受到各国军界的青睐。从90年代初起,美国率先将虚拟现实技术用于军事领域,主要用于以下四个方面:一是虚拟战场环境。即通过相应的三维战场环境图形图像库,包括作战背景、战地场景、各种武器装备和作战人员等,为使用者创造一种险象环生、几近真实的立体战场环境。以增强其临场感觉,提高训练质量。二是进行单兵模拟训练。让士兵穿上数据服,戴上头盔显示器和数据手套,通过操作传感装置选择不同的战场背景,输入不同的处置方案,体味不同的作战效果,进而像参加实战一样,锻炼和提高技术水平、快速反应能力和心理承受力。如美空军用虚拟现实技术研制的飞行训练模拟器,能产生视觉控制,能处理三维实时交互图形,且有图形以外的声音和触感,不但能以正常方式操纵和控制飞行器,还能处理虚拟现实中飞机以外的各种情况,如气球的威胁、导弹的发射轨迹等。三是实施诸军兵种联合演习,建立一个“虚拟战场”,使参战双方同处其中,根据虚拟环境中的各种情况及其变化,“调兵遣将”、“斗智斗勇”,实施“真实的”对抗演习。四是进行指挥员训练。利用虚拟现实技术,根据侦察情报资料合成出战场全景图,让受训指挥员通过传感装置观察敌我兵力部署和战场情况,以便判断敌情,定下正确决心。美国海军开发的“虚拟舰艇作战指挥中心”就能逼真地摸拟与真的舰艇作战指挥中心几乎完全相似的环境,生动的视觉、听觉和触觉效果,使受训军官沉浸于“真实的”战场之上。

  当然,虚拟现实还是一门年轻的科学技术,尚存在不少有待解决的问题。例如,在计算机生成的虚拟环境中,操作者每次转动头部,计算机必须更新三维图像,由于更新的数据太大,以致计算机还无法完成实时运算。这就造成了系统滞后。再如,美空军的虚拟现实模拟器产生的视觉运动信号与人的感觉之间也存在差异,容易引起头痛、眩晕等。

  但不管怎样,虚拟现实技术毕竟开辟了富有发展潜力的新领域,它会随着时间的推移日臻完善,在军事领域的应用将会越来越广泛,发挥的作用也将会越来越大。

  互设备优越得多. 头盔则由显示器, 光学系统,立体声音

  展开全部虚拟现实是利用以现代高速电子计算机为核心的信息处理设备、相应的软件系统和微电子传感技术模拟或创造出来的、与现实的真实世界相同、相似或不相似的仿真图景。虚拟现实本质上主要是针对单个的个人而设计的模拟局部现实世界的技术系统,目前还没有一个得到广泛接受的关于虚拟现实的精确定义,研究它的人众说纷纭。人们大致上都认可一种描述性的定义:“虚拟现实是实际上而不是事实上为真实的事件或实体”。这样的定义有进行哲学讨论的空间。

  虚拟现实有两大类,一类是对真实世界的模拟,如数字化地球,数字化城市或社区、虚拟故宫;另一类是虚构的,如网上新闻主持人安娜诺娃(Ananowa),以及名目繁多的三维立体动画游戏。无论哪一类虚拟现实,其实质都如尼葛洛庞帝(Nicholas Negroponte)所说,“虚拟现实背后的构想是,通过让眼睛接收到在真实情境中才能接受到的信息,使人产生‘身临其境’的感觉”。其实,虚拟现实所利用的不只是人的视觉,它把计算机处理出来的数据转化成视觉、听觉和触觉信号,再以适当方式直接输送到人的相应的感受器官,使人感受到计算机“需要”或“希望”他感受到的情景。

  交互作用:主体与技术系统之间存在着的互动关系,这里指人的精神体验甚至知识活动与机器系统的相互作用。没有这种互动虚拟现实就失去意义或者“趣味”;

  人工性:与所有技术系统一样,虚拟现实也具有这种技术系统的根本特征,说到底,它是一种人造物或者人工自然;

  我国计算机科学家汪成为院士则概括得更为简单:“一个典型的虚拟现实环境是由人和虚拟现实系统两大部分组成的,而虚拟现实系统又由三部分组成。它们是基于先进传感器的人机接口、具有多媒体功能的计算机系统和面向虚拟现实的软件系统。”虚拟现实具有所谓I特性:沉浸、交互和构想。(见下图)

  总之,虚拟现实利用技术手段全方位地在人和机器之间传送感觉信号,力图逼真地再现人类熟知的外部世界。

  虚拟现实给哲学研究带来许多新问题,如虚拟现实现象本身的哲学解释;虚拟现实能否取代现实世界成为人的认识来源;虚拟现实中表现出来的人工智能究竟能够达到什么程度、会不会最终取代人类智能。此外,还有一些涉及到社会的、伦理的和文化的等方面的问题,这些已经有过许多研究文献。

  关于对于虚拟现实的哲学解释,可以考虑这样一种意见:首先把人类的创造物(精神活动的产品)从客观世界和人类自身之中分离出来,这样我们有了三种客观实在:物质自然、人、以及人的精神活动产品。英国哲学家卡尔€凡ㄆ斩?丫?哉庵秩?鍪澜缱髁私仙钊氲睦砺垩芯浚??直鸪浦??澜?、世界2和世界3。波普尔指出,最先有世界1,经过长期自然进化和演化后产生出世界2,而人类知识特别是理论成就累积成为世界3。人类文明建立在三个世界共同发展的基础之上,特别是世界3的积累与扩展。这与道家的“道生一、一生二、二生三、三生万物”经典可谓异曲同工。1970年代,波普尔与澳大利亚脑科学家、诺贝尔奖获得者艾克尔斯合作,用三个世界理论较好地解释了发生在人类大脑中的认知过程,他们合著的《自我及其大脑》(The Self and Its Brain)至今仍是研究心理学、认知关系问题、身心关系和人工智能问题的必读著作。

  波普尔是个实在论者,他的三个世界都有强烈的本体论特征,特别是他的世界3,其客观实在性和自主性是他所一贯坚持的。然而波普尔对三个世界之间的关系的意见不适合于今天的信息时代。他虽然认为世界3是客观的,甚至是自主的(即有其客观规律的),但是世界3并不能够直接与世界1进行相互作用,人(世界2)是世界3与世界1之间必须的和最为关键性的中介。这样的理论可以用以解释计算机发明以前的情况,但用来解释虚拟现实问题显然是不合适的,因为它武断地割裂了物理世界与人类精神活动产品之间可能会发生的联系与互动。

  仔细考察以计算机为核心的信息处理技术系统,我们就必须承认,这样的系统由两大部分组成,服从物理运动规律的机器硬件系统(世界1)和人类的精神活动产品软件(计算机程序软件,它应当而且只能被看作是世界3)。仅就其技术系统而言,虚拟现实应当是软件和硬件二者相互作用的结果,即世界1与世界3的相互作用。那么当人参加到这样的虚拟现实中去的时候,所发生的情况就是三个世界的相互作用。

  到这里我们就看到虚拟现实的最具有哲学意义的方面:它在人类文明历史上首次实现了三个世界的交互作用。这是一项带有根本性的突破,只有现代信息技术才能够实现这样的突破。

  有了对于虚拟现实的哲学解释,就容易回答后两个问题了。我们认为,对于虚拟现实能否以及能在多大程度上成为人的经验和认识的来源问题,不能过于乐观。

  首先,目前的技术发展水平只是展示了一种可能性,就其使人获得经验、体验或知识而言,它还处于很原始的阶段。虚拟现实已经在医学教育(如解剖)、飞行训练、核爆炸模拟等一些专门领域得到应用,效果得到广泛好评。但仅此而已,在可见的将来,还完全没有理由认为它会对基本的人与自然的认知关系提出带有根本性的挑战。

  其次,毕竟虚拟现实是一种人工系统,建立在人对自然事物的已有认识基础之上,这样的人类认识集成在人们开发编写的相应的软件程序中,如大型数据库、专家系统。尽管发生有以下两种情形:一、整合新的技术系统时可以直接运用过去已有的软件和硬件;二、新的高性能计算机系统有自动编制软件(创造出新的世界3)能力,但这都不能改变机器系统(包括虚拟现实)是人工系统这一基本属性。因此,通过虚拟现实而获得的经验、认识是一种“次级”经验或认识,它并不能取代、至少不可能完全取代人对于自然的直接认识和经验。

  第三,根据已经报道的许多实例,虚拟现实系统会产生出人类仅仅依靠大脑不可能做到的发现或发明,如混沌学中的洛伦兹吸引子,数学上关于四色图定理的证明,甚至虚拟生命体Tierra等,从人的角度来看这些意味着重要的发现,其创新之处是明显的,但对于机器而言,所有这些都只是计算机软、硬件互动合作的结果,尽管有许多结果并不使人可以预先预测到的。关键之处在于:机器的运算结果对于机器的意义、对于人的意义,都是从人的角度看到的,也就是说,机器运行的结果还是需要人来做出最终的价值判断。

  最后,回到对虚拟现实的哲学解释,我们说世界3与世界1的直接互动,并不意味着人变得多余了。在虚拟现实的环境中,机器是由人制造出来的,程序是人编写的,机器输出的结果也是需要人来做出价值判断的,因此,世界3与世界1的直接互动是有条件的,人的参与对于机器系统而言是无条件的,正因为如此,讨论人工智能是否会超越人类智能,并没有特别的实际意义。目前国内外计算机科学专家和信息科学家比较一致的看法是,未来的人工智能还将会有长足的发展。并不存在人工智能能否超越人类智能的问题,然而,人工智能能够在某些方面补充人类智能的不足却是确定无疑的,未来最有希望的发展方向是将会产生一种“人—机共生体”,在其中,机器部分将进行复杂繁琐的数据运算和逻辑推理,而涉及到创造性、美感、情感、价值判断等方面的问题时,则由人脑完成。

  展开全部虚拟现实是计算机与用户之间的一种更为理想化的人-机界面形式。通常用户戴一个头盔(用来显示立体图象的头式显示器),手持传感手套,仿佛置身于一个幻觉世界中,在虚拟环境中漫游,并允许操作其中的“物体”。与传统计算机相比,虚拟现实系统具有三个重要特征:临境性,交互性,想象性。虚拟现实技术潜在的应用范围很广,诸如国防、建筑设计、工业设计、培训、医学领域。例如建筑设计师可以运用虚拟现实技术向客户提供三维虚拟模型,而外科医生还可以在三维虚拟的病人身上试行一种新的外科手术。

  虚拟现实技术通过20多年的研究探索,于80年代末走出实验室,开始进入实用化阶段。目前,世界上少数发达国家在经济、艺术乃至军事等领域,已开始广泛应用这种高新技术,并取得了显著的综合效益。据外刊报道,美国陆军1994年的“路易斯安娜94”作战演习,就是利用虚拟现实技术进行的。这次演习不但试验论证了美国陆军制定的条令、战术和部队编成,使之更加符合21世纪的作战要求,还节约演习经费近20亿美元。

  那么,什么是虚拟现实技术呢?简单地说,就是人们利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境,通过自然技能使用传感设备与之相互作用的新技术。它与传统的模拟技术完全不同,是将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一,并利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等传感装置。把操作者与计算机生成的三维虚拟环境连结在一起。操作者通过传感器装置与虚拟环境交互作用,可获得视觉、听觉、触觉等多种感知,并按照自己的意愿去改变“不随心”的虚拟环境。比如,计算机虚拟的环境是一座楼房,内有各种设备、物品,操作者会如同身临其境一样,可以通过各种传感装置在屋内行走查看、开门关门、搬动物品;对房屋设计上的不满意之处,还可随意改动。显然,利用这种虚拟现实技术进行建筑、机械、兵器等设计修改,实施技术操作训练和军事演习活动要容易得多,也便宜得多。

  虚拟现实技术一经应用,就向人们展示了诱人的前景,因而受到各国军界的青睐。从90年代初起,美国率先将虚拟现实技术用于军事领域,主要用于以下四个方面:一是虚拟战场环境。即通过相应的三维战场环境图形图像库,包括作战背景、战地场景、各种武器装备和作战人员等,为使用者创造一种险象环生、几近真实的立体战场环境。以增强其临场感觉,提高训练质量。二是进行单兵模拟训练。让士兵穿上数据服,戴上头盔显示器和数据手套,通过操作传感装置选择不同的战场背景,输入不同的处置方案,体味不同的作战效果,进而像参加实战一样,锻炼和提高技术水平、快速反应能力和心理承受力。如美空军用虚拟现实技术研制的飞行训练模拟器,能产生视觉控制,能处理三维实时交互图形,且有图形以外的声音和触感,不但能以正常方式操纵和控制飞行器,还能处理虚拟现实中飞机以外的各种情况,如气球的威胁、导弹的发射轨迹等。三是实施诸军兵种联合演习,建立一个“虚拟战场”,使参战双方同处其中,根据虚拟环境中的各种情况及其变化,“调兵遣将”、“斗智斗勇”,实施“真实的”对抗演习。四是进行指挥员训练。利用虚拟现实技术,根据侦察情报资料合成出战场全景图,让受训指挥员通过传感装置观察敌我兵力部署和战场情况,以便判断敌情,定下正确决心。美国海军开发的“虚拟舰艇作战指挥中心”就能逼真地摸拟与真的舰艇作战指挥中心几乎完全相似的环境,生动的视觉、听觉和触觉效果,使受训军官沉浸于“真实的”战场之上。

  当然,虚拟现实还是一门年轻的科学技术,尚存在不少有待解决的问题。例如,在计算机生成的虚拟环境中,操作者每次转动头部,计算机必须更新三维图像,由于更新的数据太大,以致计算机还无法完成实时运算。这就造成了系统滞后。再如,美空军的虚拟现实模拟器产生的视觉运动信号与人的感觉之间也存在差异,容易引起头痛、眩晕等。

  但不管怎样,虚拟现实技术毕竟开辟了富有发展潜力的新领域,它会随着时间的推移日臻完善,在军事领域的应用将会越来越广泛,发挥的作用也将会越来越大。

  正如其它新兴科学技术一样,虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。

  它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等。我们必须清醒地认识到,虽然这个领域的技术潜力是巨大的,应用前景也是很广阔的,但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论,目前虚拟现实技术所取得的成就,绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力,仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题,还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时,人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。我们期待这有朝一日,虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统,成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。

  就像电影《黑客帝国》里描述的那样,未来的我们竟可以生活在一个由电脑控制的虚拟世界里。在这个世界里,我们同样拥有各种感觉,同样拥有亲戚朋友,同样拥有工作,同样拥有现实世界的一切“真实”。只是,这一切都是虚拟的。

  人类有许多梦想,一些梦想已经变为现实,而有一些梦想也许永远都不可能实现。然而,有一种技术却能使一切梦想全部实现,这就是虚拟现实技术(Virtual Reality,简称VR)。

  虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科,对该技术的研究始于20世纪60年代。直到90年代初,虚拟现实技术才开始作为一门较完整的体系而受到人们极大的关注。

  概括地说,虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式,与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比,虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。

  虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境,它可以是实际上可实现的,也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此,虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境,人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中,并操作、控制环境,实现特殊的目的,即人是这种环境的主宰。

  从本质上来说,虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口,它通过给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段,最大限度地方便用户的操作。根据虚拟现实技术所应用的对象不同,其作用可表现为不同的形式,例如将某种概念设计或构思可视化和可操作化,实现逼真的遥控现场效果,达到任意复杂环境下的廉价模拟训练目的等。该技术的主要特征有以下几方面:

  多感知性(Multi-Sensory)——所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知,甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术,特别是传感技术的限制,目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

  浸没感(Immersion)——又称临场感,指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假,使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中,该环境中的一切看上去是真的,听上去是真的,动起来是真的,甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的,如同在现实世界中的感觉一样。

  交互性(Interactivity)——指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如,用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体,这时手有握着东西的感觉,并可以感觉物体的重量,视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

  构想性(Imagination)——强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间,可拓宽人类认知范围,不仅可再现真实存在的环境,也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

  一般来说,一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备,以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。

  这里,虚拟环境处理器是VR系统的心脏,完成虚拟世界的产生和处理功能。输入设备给VR系统提供来自用户的输入,并允许用户在虚拟环境中改变自己的位置、视线方向和视野,也允许改变虚拟环境中虚拟物体的位置和方向。而输出设备是由VR系统把虚拟环境综合产生的各种感官信息输出给用户,使用户产生一种身临其境的逼真感。其主要的研究内容包括以下几个方面:

  动态环境建模——虚拟环境的建立是VR系统的核心内容,动态环境建模技术的目的就是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术,更多的情况则需采用非接触式的视觉技术,两者有机结合可以有效地提高数据获取的效率。

  实时三维图形生成技术——三维图形的生成技术已经较为成熟,这里的关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的,至少要保证图形的刷新频率不低于15帧/秒,最好高于30帧/秒。

  在不降低图形的质量和复杂程度的前提下,如何提高刷新频率是该技术的主要内容。

  立体显示和传感器技术——虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展,现有的设备远远不能满足需要,比如头盔式三维立体显示器有以下缺点:过重(1.5 kg至2kg)、分辨率低(图像质量差)、延迟大(刷新频率低)、行动不便(有线)、跟踪精度低、视场不够宽、眼睛容易疲劳等,因此有必要开发新的三维显示技术。同样,数据手套、数据衣服等都有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点。另外,力觉和触觉传感装置的研究也有待进一步深入,虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高。

  应用系统开发工具——虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象,即如何发挥想像力和创造性。选择适当的应用对象可以大幅度提高生产效率,减轻劳动强度,提高产品质量。为了达到这一目的,必须研究虚拟现实的开发工具,例如VR系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。

  系统集成技术——由于VR系统中包括大量的感知信息和模型,因此系统集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等等。

  虚拟现实是多种技术的综合,包括实时三维计算机图形技术,广角(宽视野)立体显示技术,对观察者头、眼和手的跟踪技术,以及触觉/力觉反馈、立体声、语音输入输出技术等。下面对这些技术分别加以说明。

  相比较而言,利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模型,又有足够的时间,我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像,但是这里的关键是实时。例如在飞行模拟系统中,图像的刷新相当重要,同时对图像质量的要求也很高,再加上非常复杂的虚拟环境,问题就变得相当困难。

  人看周围的世界时,由于两只眼睛的位置不同,得到的图像略有不同,这些图像在脑子里融合起来,就形成了一个关于周围世界的整体景象,这个景象中包括了距离远近的信息。当然,距离信息也可以通过其他方法获得,例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等。

  在VR系统中,双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的,显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器,但用户带上特殊的眼镜后,一只眼睛只能看到奇数帧图像,另一只眼睛只能看到偶数帧图像,奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。

  用户(头、眼)的跟踪:在人造环境中,每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态,而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头(眼)的方向来确定的。

  跟踪头部运动的虚拟现实头套:在传统的计算机图形技术中,视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的,用户的视觉系统和运动感知系统是分离的,而利用头部跟踪来改变图像的视角,用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来,感觉更逼真。另一个优点是,用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境,而且可以通过头部的运动去观察环境。

  在用户与计算机的交互中,键盘和鼠标是目前最常用的工具,但对于三维空间来说,它们都不太适合。在三维空间中因为有六个自由度,我们很难找出比较直观的办法把鼠标的平面运动映射成三维空间的任意运动。现在,已经有一些设备可以提供六个自由度,如3Space数字化仪和SpaceBall空间球等。另外一些性能比较优异的设备是数据手套和数据衣。

  人能够很好地判定声源的方向。在水平方向上,我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向,因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的,所以会有一种方向感。现实生活里,当头部转动时,听到的声音的方向就会改变。但目前在VR系统中,声音的方向与用户头部的运动无关。

  在一个VR系统中,用户可以看到一个虚拟的杯子。你可以设法去抓住它,但是你的手没有真正接触杯子的感觉,并有可能穿过虚拟杯子的“表面”,而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。

  在VR系统中,语音的输入输出也很重要。这就要求虚拟环境能听懂人的语言,并能与人实时交互。而让计算机识别人的语音是相当困难的,因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。例如,连续语音中词与词之间没有明显的停顿,同一词、同一字的发音受前后词、字的影响,不仅不同人说同一词会有所不同,就是同一人发音也会受到心理、生理和环境的影响而有所不同。

  使用人的自然语言作为计算机输入目前有两个问题,首先是效率问题,为便于计算机理解,输入的语音可能会相当罗嗦。其次是正确性问题,计算机理解语音的方法是对比匹配,而没有人的智能。

  在VR系统中,有许多有趣的、功能不同的专用设备,下面选一些代表性的设备加以介绍。

  BOOM可移动式显示器:它是一种半投入式视觉显示设备。使用时,用户可以把显示器方便地置于眼前,不用时可以很快移开。BOOM使用小型的阴极射线管,产生的像素数远远小于液晶显示屏,图像比较柔和,分辨率为1280×1024像素,彩色图像。

  数据手套:数据手套是一种输入装置,它可以把人手的动作转化为计算机的输入信号。它由很轻的弹性材料构成。该弹性材料紧贴在手上,同时附着许多位置、方向传感器和光纤导线,以检测手的运动。光纤可以测量每个手指的弯曲和伸展,而通过光电转换,手指的动作信息可以被计算机识别。

  TELETACT手套:它是一种用于触觉和力觉反馈的装置,利用小气袋向手提供触觉和力觉的刺激。这些小气袋能被迅速地加压和减压。当虚拟手接触一件虚拟物体时,存储在计算机里的该物体的力模式被调用,压缩机迅速对气袋充气或放气,使手部有一种非常精确的触觉。

  数据衣是为了让VR系统识别全身运动而设计的输入装置。数据衣对人体大约50多个不同的关节进行测量,包括膝盖、手臂、躯干和脚。通过光电转换,身体的运动信息被计算机识别。通过BOOM显示器和数据手套与虚拟现实交互数据衣。

  虚拟现实的本质是人与计算机的通信技术,它几乎可以支持任何人类活动,适用于任何领域。

  较早的虚拟现实产品是图形仿线年世界上第一个虚拟现实开发工具问世,1993年众多虚拟现实应用系统出现,1996年NPS公司使用惯性传感器和全方位踏车将人的运动姿态集成到虚拟环境中。到1999年,虚拟现实技术应用更为广泛,涉足航天、军事、通信、医疗、教育、娱乐、图形、建筑和商业等各个领域。专家预测,随着计算机软、硬件技术的发展和价格的下降,预计本世纪虚拟现实技术会进入家庭。

  VR技术在医疗领域也大有作为。该技术可用于解剖教学、复杂手术过程的规划,在手术过程中提供操作和信息上的辅助,预测手术结果等。另外,在远程医疗中,虚拟现实技术也很有潜力。例如在偏远的山区,通过远程医疗虚拟现实系统,患者不进城也能够接受名医的治疗。对于危急病人,还可以实施远程手术。医生对病人模型进行手术,他的动作通过卫星传送到远处的手术机器人。手术的实际图像通过机器人上的摄像机传回医生的头盔立体显示器,并将其和虚拟病人模型进行叠加,为医生提供有用的信息。美国斯坦福国际研究所已成功研制出远程手术医疗系统。

  在航天领域,VR技术也非常重要。例如,失重是航天飞行中必须克服的困难,因为在失重情况下对物体的运动难以预测。为了在太空中进行精确的操作,需要对宇航员进行长时间的失重仿真训练。为了逼真地模拟太空中的情景,美国航天局NASA在“哈勃太空望远镜的修复和维护”计划中采用了VR仿真训练技术。

  在训练中,宇航员坐在一个模拟的具有“载人操纵飞行器”功能并带有传感装置的椅子上。椅子上有用于在虚拟空间中作直线运动的位移控制器和用于绕宇航员重心调节宇航员朝向的旋转控制器。宇航员头戴立体头盔显示器,用于显示望远镜、航天飞机和太空的模型,并用数据手套作为和系统进行交互的手段。训练时宇航员在望远镜周围就可以进行操作,并且通过虚拟手接触操纵杆来抓住需要更换的“模块更换仪”。抓住模块更换仪后,宇航员就可以利用座椅的控制器在太空中飞行。

  在对象可视化领域中,VR技术应用的例子是模拟风洞。模拟风洞可以让用户看到模拟的空气流场,使他感到就像真的站在风洞里一样。虚拟风洞的目的是让工程师分析多旋涡的复杂三维性和效果、空气循环区域、旋涡被破坏的乱流等。例如,可以将一个航天飞机的CAD模型数据调入模拟风洞进行性能分析。为了分析气流的模式,可以在空气流中注入轨迹追踪物,该追踪物将随气流飘移,并把运动轨迹显示给用户。追踪物可以通过数据手套投降到任意指定的位置,用户可以从任意视角观察其运动轨迹。

  在军事领域中,VR技术应用的一个例子是“联网军事训练系统”。在该系统中,军队被布置在与实际车辆和指挥中心相同的位置,他们可以看到一个有山、树、云彩、硝烟、道路、建筑物以及由其他部队操纵的车辆的模拟战场。这些由实际人员操作的车辆可以相互射击,系统利用无线电通信和声音来加强真实感。系统的每个用户可以通过环境视点来观察别人的行动。炮火的显示极为真实,用户可以看到被攻击部队炸毁的情况。从直升机上看到的场景也非常逼真。这个模拟系统可用来训练坦克、直升机和进行军事演习,以及训练部队之间的协同作战能力。

  当然,虚拟现实技术的应用远不止以上这些。随着计算机技术的进一步发展,虚拟现实与我们的生活将日益密切。

  VRML是一种3D交换格式,它定义了当今3D应用中的绝大多数常见概念,诸如变换层级、光源、视点、几何、动画、雾、材质属性和纹理映射等等。VRML的基本目标是确保能够成为一种有效的3D文件交换格式。

  VRML是HTML的3D模型。它把交互式三维能力带入了万维网,即VRML是一种可以发布3D网页的跨平台语言。事实上,三维提供了一种更自然的体验方式,例如游戏、工程和科学可视化、教育和建筑。诸如此类的典型项目仅靠基于网页的文本和图像是不够的,而需要增强交互性、动态效果连续感以及用户的参与探索,这正是VRML的目标。

  VRML提供的技术能够把三维、二维、文本和多媒体集成为统一的整体。当把这些媒体类型和脚本描述语言(scripting language)以及因特网的功能结合在一起时,就可能产生一种全新的交互式应用。VRML在支持经典二维桌面模型的同时,把它扩展到更广阔的时空背景中。

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