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虚拟现实

发布时间: 2018-11-29 21:56:56   作者:计算机学院   来源: 本站原创   浏览次数:  

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统,它利用计算机生成一种模拟环境,是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。

简介

虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向,是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合,是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外,还有听觉、触觉、力觉、运动等感知,甚至还包括嗅觉和味觉等,也称为多感知。自然技能是指人的头部转动,眼睛、手势、或其他人体行为动作,由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据,并对用户的输入作出实时响应,并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。

发展历史

虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段:有声形动态的模拟是蕴涵虚拟现实思想的第一阶段(1963年以前);虚拟现实萌芽为第二阶段(1963 -1972 );虚拟现实概念的产生和理论初步形成为第三阶段(1973 -1989 );虚拟现实理论进一步的完善和应用为第四阶段(1990 -2004 )。

特征

多感知性

指除一般计算机所具有的视觉感知外,还有听觉感知、触觉感知、运动感知,甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。

存在感

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达到使用户难辨真假的程度。

交互性

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。

自主性

指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。

关键技术

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、立体声网络传输、语音输入输出技术等。下面对这些技术分别加以说明。

实时三维计算机图形

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。

显示

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。

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。

声音

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。

感觉反馈

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。

语音

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啰嗦。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

技术特点

VR艺术是伴随着虚拟现实时代的来临应运而生的一种新兴而独立的艺术门类,在《虚拟现实艺术: 形而上的终极再创造》一文中,关于VR艺术有如下的定义:以虚拟现实(VR)、增强现实AR)等人工智能技术作为媒介手段加以运用的艺术形式,我们称之为虚拟现实艺术,简称VR艺术。该艺术形式的主要特点是超文本性和交互性

作为现代科技前沿的综合体现,VR艺术是通过人机界面对复杂数据进行可视化操作与交互的一种新的艺术语言形式,它吸引艺术家的重要之处,在于艺术思维与科技工具的密切交融和二者深层渗透所产生的全新的认知体验。与传统视窗操作下的新媒体艺术相比,交互性和扩展的人机对话,是VR艺术呈现其独特优势的关键所在。从整体意义上说,VR艺术是以新型人机对话为基础的交互性的艺术形式,其最大优势在于建构作品与参与者的对话,通过对话揭示意义生成的过程。

艺术家通过对VRAR等技术的应用,可以采用更为自然的人机交互手段控制作品的形式,塑造出更具沉浸感的艺术环境和现实情况下不能实现的梦想,并赋予创造的过程以新的含义。如具有VR性质的交互装置系统可以设置观众穿越多重感官的交互通道以及穿越装置的过程,艺术家可以借助软件和硬件的顺畅配合来促进参与者与作品之间的沟通与反馈,创造良好的参与性和可操控性;也可以通过视频界面进行动作捕捉,储存访问者的行为片段,以保持参与者的意识增强性为基础,同步放映增强效果和重新塑造、处理过的影像;通过增强现实、混合现实等形式,将数字世界和真实世界结合在一起,观众可以通过自身动作控制投影的文本,如数据手套可以提供力的反馈,可移动的场景、360度旋转的球体空间不仅增强了作品的沉浸感,而且可以使观众进入作品的内部,操纵它、观察它的过程,甚至赋予观众参与再创造的机会。

技术应用

医学

VR在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中,可以建立虚拟的人体模型,借助于跟踪球HMD、感觉手套,学生可以很容易了解人体内部各器官结构,这比现有的采用教科书的方式要有效得多。PieperSatara等研究者在90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器,用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯,虚拟的外科工具(如手术刀、注射器、手术钳等),虚拟的人体模型与器官等。借助于HMD及感觉手套,使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进,如需提高环境的真实感,增加网络功能,使其能同时培训多个使用者,或可在外地专家的指导下工作等。手术后果预测及改善残疾人生恬状况,乃至新型药物的研制等方面,VR技术都有十分重要的意义。

在医学院校,学生可在虚拟实验室中,进行尸体解剖和各种手术练习。用这项技术,由于不受标本、场地等的限制,所以培训费用大大降低。一些用于医学培训、实习和研究的虚拟现实系统,仿真程度非常高,其优越性和效果是不可估量和不可比拟的。例如,导管插入动脉的模拟器,可以使学生反复实践导管插入动脉时的操作;眼睛手术模拟器,根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像,并带有实时的触觉反馈,学生利用它可以观察模拟移去晶状体的全过程,并观察到眼睛前部结构的血管、虹膜和巩膜组织及角膜的透明度等。还有麻醉虚拟现实系统、口腔手术模拟器等。

外科医生在真正动手术之前,通过虚拟现实技术的帮助,能在显示器上重复地模拟手术,移动人体内的器官,寻找最佳手术方案并提高熟练度。在远距离遥控外科手术,复杂手术的计划安排,手术过程的信息指导,手术后果预测及改善残疾人生活状况,乃至新药研制等方面,虚拟现实技术都能发挥十分重要的作用。 

教育中

虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了自主学习的环境,由传统的以教促学的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。

它主要具体应用在以下几个方面:

1科技研究

当前许多高校都在积极研究虚拟现实技术及其应用,并相继建起了虚拟现实与系统仿真的研究室,将科研成果迅速转化实用技术,如北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用;浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用;哈尔滨工业大学在人机交互方面的应用;清华大学对临场感的研究等都颇具特色。有的研究室甚至已经具备独立承接大型虚拟现实项目的实力。 虚拟学习环境虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境,如建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示等,在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验,从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力,主动地去交互与被动的灌输,有本质的差别。虚拟实验利用虚拟现实技术,可以建立各种虚拟实验室,如地理、物理、化学、生物实验室等等,拥有传统实验室难以比拟的优势:

1、节省成本通常我们由于设备、场地、经费等硬件的限制。许多实验都无法进行。而利用虚拟现实系统,学生足不出户便可以做各种实验,获得与真实实验一样的体会。在保证教学效果的前提下,极大的节省了成本。

2、规避风险真实实验或操作往往会带来各种危险,利用虚拟现实技术进行虚拟实验,学生在虚拟实验环境中,可以放心地去做各种危险的实验。例如:虚拟的飞机驾驶教学系统,可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故

3、打破空间、时间的限制利用虚拟现实技术,可以彻底打破时间与空间的限制。大到宇宙天体,小至原子粒子,学生都可以进入这些物体的内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程,通过虚拟现实技术,可以在很短的时间内呈现给学生观察。例如,生物中的孟德尔遗传定律,用果蝇做实验往往要几个月的时间,而虚拟技术在一堂课内就可以实现。

虚拟仿真校园:

教育部在一系列相关的文件中,多次涉及到了虚拟校园,阐明了虚拟校园的地位和作用。虚拟校园也是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用,它由浅至深有三个应用层面,分别适应学校不同程度的需求:简单的虚拟我们的校园环境供游客浏览 基于教学、教务、校园生活,功能相对完整的三维可视化虚拟校园 以学员为中心,加入一系列人性化的功能,以虚拟现实技术作为远程教育基础平台 虚拟远程教育虚拟现实可为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所,通过交互式远程教学的课程目录和网站,由局域网工具作校园网站的链接,可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育,还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会,创造更大的经济效益与社会效益。随着虚拟现实技术的不断发展和完善,以及硬件设备价格的不断降低,我们相信,虚拟现实技术以其自身强大的教学优势和潜力,将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐,最终在教育培训领域广泛应用并发挥其重要作用。

船舶制造

通过虚拟现实技术不仅能提前发现和解决实船建造中的问题,还为管理提供了充分的信息,从而真正实现船体建造、舾装、涂装一体化和设计、制造、管理一体化。在船舶设计领域,虚拟设计涵盖了建造、维护、设备使用、客户需求等传统设计方法无法实现的领域,真正做到产品的全寿期服务。因此,通过对面向船舶整个生命周期的船舶虚拟设计系统的开发,可大大提高船舶设计的质量,减少船舶建造费用,缩短船舶建造周期。

汽车仿真

汽车虚拟开发工程即在汽车开发的整个过程中,全面采用计算机辅助技术,在轿车开发的造型、设计、计算、试验直至制模、冲压、焊接、总装等各个环节中的计算机模拟技术联为一体的综合技术,使汽车的开发、制造都置于计算机技术所构造的严格的数据环境中,虚拟现实技术的应用,大大缩短了设计周期,提高了市场反应能力。

轨道交通

轨道交通仿真就是运用三维虚拟与仿真技术模拟出从轨道交通工具的设计制造到运行维护等各阶段、各环节的三维环境,用户在该环境中可以全身心的投入到轨道交通的整个工程之中进行各种操作,从而拓展相关从业人员的认知手段和认知领域,为轨道交通建设的整个工程节约成本与时间,提高效率与质量。

其包括三部分内容:

虚拟设计

虚拟设计包括轨道设计,轨道交通工具设计及轨道交通环境的设计。虚拟现实技术在轨道交通设计中并不直接参与设计,而是作为设计者的一个高效辅助工具,帮助设计师节约设计时间,提高设计产品的质量。

虚拟装配

为保证轨道交通工具的设计符合流体力学、工程力学等各种学科的要求,利用计算机技术实现各部件的虚拟装配,方便的检查出各个部件之间的嵌合度和兼容性;此外,虚拟装配还可以深入发展为交互式三维虚拟培训环境,让受训人员在沉浸式环境中熟悉各个部件及装配过程,提高学员的设备装配能力。

虚拟运行

在列车投入使用前,利用三维虚拟仿真技术模拟出列车运行时的状态、各部件变化情况及周边环境变化情况,检查列车运行可行性;还可以利用计算机更改部分数据,观测列车因数据变化而受到的连动影响,从而总结出更多列车运行经验,有效的规避列车正式投入使用后的风险,提高相关工作人员应对突发情况的处理能力。

康复训练

康复训练包括身体康复训练和心理康复训练,是指有各种运动障碍(动作不连贯、不能随心所动)和心理障碍的人群,通过在三维虚拟环境中做自由交互以达到能够自理生活、自由运动、解除心理障碍的训练。

传统的康复训练不但耗时耗力,单调乏味,而且训练强度和效果得不到及时评估,很容易错失训练良机,而结合三维虚拟与仿真技术的康复训练就很好的解决了这一问题,并且还适用于心理患者的康复训练,对完全丧失运动能力的患者也有独特效果。

虚拟身体康复训练

身体康复训练是指使用者通过输入设备(如数据手套动作捕捉仪)把自己的动作传入计算机,并从输出反馈设备得到视觉、听觉或触觉等多种感官反馈,最终达到最大限度的恢复患者的部分或全部机体功能的训练活动。这种训练方法,不但大大节约了训练的人力物力,而且有效增加了治疗的趣味性,激发了患者参与治疗的积极性,变被动治疗为主动治疗,提高治疗的效率。

虚拟心理康复训练

狭义的虚拟心理康复训练是指利用搭建的三维虚拟环境治疗诸如恐高症之类的心理疾病。广义上的虚拟心理康复训练还包括搭配机接口系统虚拟人等先进技术进行的脑信号人机交互心理训练。这种训练就是采用患者的脑电信号控制虚拟人的行为,通过分析虚拟人的表现实现对患者心理的分析,从而制定有效地康复课程。此外,还可以通过显示设备把虚拟人的行为展现出来,让患者直接学习某种心理活动带来的结果,从而实现对患者的治疗。这种心理训练方法为更多复杂的心理疾病指明了一条新颖、高效的训练之路。

数字地球

数字地球建设是一场意义深远的科技革命,也是地球科学研究的一场纵深变革。人类迫切需要更深入地了解地球、理解地球,进而管理好地球。

拥有数字地球等于占据了现代社会的信息战略制高点。从战略角度来说,数字地球是全球性的科技发展战略目标,数字地球是未来信息资源的综合平台和集成,现代社会拥有信息资源的重要性更基于工业经济社会拥有自然资源的重要性。

而从科技角度分析,数字地球是国家的重要基础设施,是遥感、地理信息系统、全球定位系统、互联网万维网、仿真与虚拟现实技术等的高度综合与升华,是人类定量化研究地球、认识地球、科学利用地球的先进工具。

五大障碍

虚拟现实技术未来将会发展成一种改变我们生活方式的新突破。在第一代Oculus Rift的开发者大会上,所有与会者都看到了一个充满潜力的虚拟现实平台。

但是从现在来看,虚拟现实技术想要真正进入消费级市场,还有一段很长的路要走,包括Oculus公司在内。在Oculus内部,也对虚拟现实技术现在面对的问题进行了讨论,并且不断的在寻找解决方法。虽然所有问题最终都会找到答案,但是都不太可能在一夜之间全部解决。

目前,开发者如何为用户提供一个真正身临其境的游戏或应用体验还存在比较大的技术局限性,而一些问题到现在仍然还没有很好的解决办法。

没有真正进入虚拟世界的方法

Oculus Rift开发圈有一个著名的笑话,每当有人让使用者站起来走走时,对方通常都不敢轻易走动,因为Oculus Rift还依然要通过线缆连接到计算设备上,而这也大幅限制了使用者的活动范围。

包括Oculus Rift在内的各种虚拟现实装备依然在阻挡着用户和虚拟世界之间的交流。这些装置盖住了我们的眼睛,只是改变了我们的视线,但是并非涵盖了我们所有的视野范围。本来笨手笨脚的配合鼠标和键盘使用就已经非常尴尬,而任何尝试大范围移动的行为都会被各种线缆束缚。

我们不希望用户因此而受到伤害。”Oculus VR创始人Palmer Luckey表示。

部分开发者曾经考虑专门创建一个房间来供虚拟现实设备使用,但是问题似乎并不会如此简单的就被解决。在游戏中真正身临其境的体验包括了蹲、躲避甚至是攀爬等动作,而这些目前来看还无法给使用者带来逼真的沉浸式体验。

虽然现在有一些第三方的解决方案,比如Virtuix Omni跑步机可以让玩家在固定的空间内安全的模拟移动,但是这些大家伙通常价格昂贵,并不是普通玩家所能承受的负担。

如何输入也是一大困扰

虚拟现实更大的挑战也许是如何在虚拟世界中与目标进行互动。Oculus Rift只是对用户的头部进行跟踪,但是并不能追踪身体的其它部位。比如玩家的手部动作现在就无法真正模拟。输入是能够给用户带来最重要和明显的体验,如果不能模拟动作,用户总会找不到自己的手在哪里。”Luckey表示。

虚拟现实如何输入是游戏开发者和硬件制造商目前非常大的困扰。虽然现在Xbox的手柄已经可以成为PC的控制器,但是在实际应用中还缺乏一些经验。其它控制装置,比如Razer HydraSTEM系统,虽然都给出了很多承诺,但是依然还是不能模拟使用者的双手。

目前还没有明确的方法来知道如何具体的实现虚拟现实技术在手势上的追踪。我们都知道有些事物不太对劲,他们已经妨碍了我们与虚拟世界之间的沟通。”Luckey说。Oculus似乎依然在开发属于自己的输入设备,但是目前还没有太大的成果。

有些人在采取措施,但是目前大家都不知道自己要做的是什么。虽然有控制器、还有枪,但是我们需要的是一种专门为虚拟现实设备开发的专用输入设备,并且会成为主流。它不一定很完美,但是必须要超越一把剑、一支枪甚至是一双手。这是非常困难的,不过模拟一只手要比枪难度更大。他表示。

缺乏统一的标准

虚拟现实技术目前仍处于初级阶段,毫无疑问,对于这个平台大家都有着各自的演示方法,无论是粗糙还是漂亮,最关键的也就是最后的几分钟。虽然许多开发者对虚拟现实充满了热情,但是似乎大家都没有一个统一的标准。

作为一个全新的平台,只有引起人们的兴趣才能取得成功,包括实际的体验。DVD电影、游戏机甚至是YouTube现在都已经变得无处不在,就因为许多人都对他们有兴趣。同样,虚拟现实技术想要引人注目,就必须吸引的不只是专业爱好者。尤其是对于那些年长一些或者非科技爱好者来说,同样非常重要。

有些技术刚开始看起来很酷,但是慢慢就变得没那么有吸引力了。显然虚拟现实平台想要成长成参天大树,还需要多年的时间。”Luckey表示。

游戏体验也许并不需要用户了解多么多的专业技术,只需要提供一个逼真的虚拟现实体验即可。Luckey指出人们通常都喜欢大多数人喜欢的事物,同样,分享才能带来更多的乐趣。

现在还有许多虚拟现实技术不止关注游戏领域,比如Oculus Rift就为三星Gear VR开发了两款应用,一款是专门用来欣赏电影,另外一款则是360度全方位的照片查看工具。

这些工具的实用性非常重要,因为很多人会多次反复使用。”Oculus VR产品副总裁Nate Mitchell说。这就像是现在的智能手机,虽然它用来听音乐并不是最好效果的那个,但是至少想听的时候随时都可以,这很方便。我尝试过用虚拟现实装置看电影,效果真的很棒。

容易让人感到疲劳

所有游戏开发商或电影制作公司都应该了解如何在虚拟现实场景中不同的使用摄像机。移动着观看和静坐观看,二者带来的体验是截然不同的。镜头的加速移动,就会带来不同的焦点,而这些如果运用不当,就会给用户带来恶心的感觉。甚至如果镜头移动的过于迅速,直接会暂时影响用户的视力。

有些人要更敏感,更容易眩晕。虽然Oculus VR首席执行官Brendan Iribe表示最新的产品可以避免为用户带来身体不适,但是仍然需要用户亲身体验过才行。目前还有一些研究显示,女性通常要比男性更容易对这些设备产生不适(另外很少有女性会参与到虚拟现实装置的测试体验)。

看起来还是有点蠢

最后一点虽然看起来有些肤浅,但是同样很重要。虽然是一款专业的游戏设备,但是现在我们佩戴起来非常笨重并且不自然,甚至看起来有些愚蠢。虽然目前我们不知道最终版的Oculus Rift会是什么样子,但是从目前来看,想要让它变得轻盈似乎不太可能。

虽然Oculus Rift不是在公共场所使用的设备,但是普通用户绝对也接受不了它们现在的样子。不过这些问题并非不可解决,大多数熟悉虚拟现实装备的开发者都表示,未来关于设备的外观变得更漂亮并不是一件困难的事情。

虽然虚拟现实技术现在看起来还非常初级,但是终有一天它将成为我们与计算机交互方式最大的一种转型,改变人们与科技之间的关系。虚拟现实技术未来最终将让我们与虚拟世界之间,更加自然的交互。


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