虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要研究對(duì)象、現(xiàn)狀與未來趨勢(shì)

    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要研究對(duì)象

    （1）虛擬環(huán)境表示的準(zhǔn)確性。為使虛擬環(huán)境與客觀世界相一致，需要對(duì)其中種類繁多、構(gòu)形復(fù)雜的信息做出準(zhǔn)確、完備的描述。同時(shí)，需要研究高效的建模方法，重建其演化規(guī)律以及虛擬對(duì)象之間的各種相互關(guān)系與相互作用。

    （2）虛擬環(huán)境感知信息合成的真實(shí)性。抽象的信息模型并不能直接為人類所直接感知，這就需要研究虛擬環(huán)境的視覺、聽覺、力覺和觸覺等感知信息的合成方法，重點(diǎn)解決合成信息的高保真性和實(shí)時(shí)性問題，以提高沉浸感。

    （3）人與虛擬環(huán)境交互的自然性。合成的感知信息實(shí)時(shí)地通過界面?zhèn)鬟f給用戶，用戶根據(jù)感知到的信息對(duì)虛擬環(huán)境中事件和態(tài)勢(shì)做出分析和判斷，并以自然方式實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互。這就需要研究基于非精確信息的多通道人機(jī)交互模式和個(gè)性化的自然交互技術(shù)等，以提高人機(jī)交互效率。

    （4）實(shí)時(shí)顯示問題。盡管理論上講能夠建立起高度逼真的，實(shí)時(shí)漫游的VR，但至少現(xiàn)在來講還達(dá)不到這樣的水平。這種技術(shù)需要強(qiáng)有力的硬件條件的支撐，例如速度極快的圖形工作站和三維圖形加速卡，但目前即使是比較快的圖形工作站也不能產(chǎn)生十分逼真，同時(shí)又是實(shí)時(shí)交互的VR。其根本原因是因?yàn)橐�入了用戶交互，需要�(jiǎng)討B(tài)生成新的圖形時(shí)，就不能達(dá)到實(shí)時(shí)要求，從而不得不降低圖形的逼真度以減少處理時(shí)間，這就是所謂的景物復(fù)雜度問題。

    （5）圖形生成。圖形生成是虛擬現(xiàn)實(shí)的重要瓶頸，虛擬現(xiàn)實(shí)比較重要的特性是人可以在隨意變化的交互控制下感受到場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)特性，換句話說，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)要求隨著人的活動(dòng)（位置、方向的變化）即時(shí)生成相應(yīng)的圖形畫面。

    （6）人工智能技術(shù)（Artificial Intelligence，簡(jiǎn)稱AI）。在VR中，計(jì)算機(jī)是從人的各種動(dòng)作，語言等變化中獲得信息，要正確理解這些信息，需要借助于AI技術(shù)來解決，如語音識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語言理解等，這些智能接口領(lǐng)域的研究課題是VR技術(shù)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是VR 技術(shù)的難點(diǎn)。

    本質(zhì)上，上述6個(gè)問題的解決使得用戶能夠身臨其境地感知虛擬環(huán)境，從而達(dá)到探索、認(rèn)識(shí)客觀事物的目的。概括地說，圍繞著虛擬現(xiàn)實(shí)展開的研究都是圍繞著這6個(gè)基本問題的。

    虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與未來趨勢(shì)

    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展很多年，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，起初是用于軍事仿真，近年來在城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計(jì)、文物保護(hù)、交通模擬、虛擬現(xiàn)實(shí)游戲、工業(yè)設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程教育等方面都取得了巨大的發(fā)展，有理由相信，這是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，并且會(huì)運(yùn)用得更加廣泛。因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)，它可以滲透到人們工作和生活的每個(gè)角落，所以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)人類社會(huì)的意義是非常大的。正因?yàn)槿绱�，它和其他很多信息技術(shù)一樣，當(dāng)信息技術(shù)領(lǐng)域的專家還未把它的理論和技術(shù)探討得非常清楚時(shí)，它已經(jīng)滲透到科學(xué)、技術(shù)、工程、醫(yī)學(xué)、文化和娛樂的各個(gè)領(lǐng)域中了，受到各個(gè)領(lǐng)域人們的極大關(guān)注。

    VR應(yīng)用極為廣泛，Helsel與Doherty早在1993年對(duì)世界范圍內(nèi)進(jìn)行的805項(xiàng)VR研究做了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：目前VR在娛樂、教育及藝術(shù)方面的應(yīng)用占主流，達(dá)21.4％，其次是軍事與航空達(dá)12.7％，醫(yī)學(xué)方面達(dá)6.13％，機(jī)器人方面占6.21％，商業(yè)方面占4.96％。另外，在可視化計(jì)算、制造業(yè)等方面也有相當(dāng)?shù)谋戎�。下面�?jiǎn)要介紹部分應(yīng)用。

    1．醫(yī)學(xué)

    VR 在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在虛擬環(huán)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(xué)生可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu)，這比現(xiàn)有的采用教科書的方式要有效得多。

    Pieper 及 Satara等研究者在20世紀(jì)90年代初基于兩個(gè)SGI工作站建立了一個(gè)虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器，用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個(gè)虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺(tái)與手術(shù)燈，虛擬的外科工具（如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)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(duì)虛擬的人體模型進(jìn)行手術(shù)。但該系統(tǒng)有待進(jìn)一步改進(jìn)，如需提高環(huán)境的真實(shí)感，增加網(wǎng)絡(luò)功能，使其能同時(shí)培訓(xùn)多個(gè)使用者，或可在外地專家的指導(dǎo)下工作等。

    另外，在遠(yuǎn)距離遙控外科手術(shù)，復(fù)雜手術(shù)的計(jì)劃安排，手術(shù)過程的信息指導(dǎo)，手術(shù)后果預(yù)測(cè)及改善殘疾人生活狀況，乃至新型藥物的研制等方面，VR技術(shù)都有十分重要的意義。

    2．娛樂、藝術(shù)與教育

    豐富的感覺能力與3D顯示環(huán)境使得VR成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂方面對(duì)VR 的真實(shí)感要求不是太高，故近些年來VR在該方面發(fā)展非常迅猛。如美國(guó)芝加哥開放了世界上第一臺(tái)大型可供多人使用的VR娛樂系統(tǒng)，其主題是關(guān)于3025年的一場(chǎng)未來戰(zhàn)爭(zhēng)；英國(guó)開發(fā)的稱為“Virtuality”的VR游戲系統(tǒng)，配有HMD，大大增強(qiáng)了真實(shí)感；1992年的一臺(tái)稱為“Legeal Qust”的系統(tǒng)由于增加了人工智能功能，使計(jì)算機(jī)具備了自學(xué)習(xí)功能，大大增強(qiáng)了趣味性及難度，使該系統(tǒng)獲該年度VR產(chǎn)品獎(jiǎng)。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(shù)領(lǐng)域方面所具有的潛在應(yīng)用能力也不可低估。VR所具有的臨場(chǎng)參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術(shù)（如油畫、雕刻等）轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的，可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術(shù)。另外，VR提高了藝術(shù)表現(xiàn)能力，如一個(gè)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(yuǎn)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(huì)等等。

    對(duì)藝術(shù)的潛在應(yīng)用價(jià)值同樣適用于教育，如在解釋一些復(fù)雜的系統(tǒng)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(gè)“虛擬的物理實(shí)驗(yàn)室”，用于解釋某些物理概念，如位置與速度，力量與位移等。全息投影技術(shù)是真正呈現(xiàn)3D的影像，可以從360°的任何角度觀看影像的不同側(cè)面，在娛樂、藝術(shù)及教育方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

    3．軍事與航天工業(yè)

    模擬訓(xùn)練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個(gè)重要課題，這為VR提供了廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局DARPA自20世紀(jì)80年代起一直致力于研究稱為SIMNET的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)系統(tǒng)，以提供坦克協(xié)同訓(xùn)練，該系統(tǒng)可聯(lián)結(jié)200多臺(tái)模擬器。另外利用VR技術(shù)，可模擬零重力環(huán)境，以代替現(xiàn)在非標(biāo)準(zhǔn)的水下訓(xùn)練宇航員的方法。

    4．管理工程

    VR在管理工程方面也顯示出了非常強(qiáng)的優(yōu)越性。如設(shè)計(jì)一新型建筑物時(shí)，可以在建筑物動(dòng)工之前用VR技術(shù)顯示一下；當(dāng)財(cái)政發(fā)生危機(jī)時(shí)，可以幫助分析大量的股票、債券等方面的數(shù)據(jù)以尋找對(duì)策等。

    以上僅列出了虛擬現(xiàn)實(shí)的部分應(yīng)用前景，可以預(yù)見，在不久的將來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)影響甚至改變我們的觀念與習(xí)慣，并將深入到人們的日常工作與生活。

    VR 技術(shù)領(lǐng)域幾乎是所有發(fā)達(dá)國(guó)家都在大力研究的前沿領(lǐng)域，它的發(fā)展速度非常迅速�；�于VR技術(shù)的研究主要有VR技術(shù)與VR應(yīng)用兩大類。在國(guó)外VR技術(shù)研究方面研究得較好成果的有美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家。在國(guó)內(nèi)，浙江大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等單位在VR方面的研究工作開展得比較早，成果也較多。

    美國(guó)VR技術(shù)的研究水平基本上代表了國(guó)際VR技術(shù)發(fā)展的水平，它是全球研究比較早，研究范圍比較廣的國(guó)家，其研究?jī)?nèi)容幾乎涉及從新概念發(fā)展（如VR的概念模型）、單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)（如觸覺反饋）到VR系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用等有關(guān)VR技術(shù)的各個(gè)方面。

    歐洲的VR技術(shù)研究主要由歐共體的計(jì)劃支持，在英國(guó)、德國(guó)、瑞典、荷蘭、西班牙等國(guó)家都積極進(jìn)行了VR技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。

    英國(guó)在VR技術(shù)的研究與開發(fā)的某些方面，如分布式并行處理、輔助設(shè)備（觸覺反饋設(shè)備等）設(shè)計(jì)、應(yīng)用研究等方面，在歐洲是排名靠前的。

    在德國(guó)，以德國(guó)FhG-IGD圖形研究所和德國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)中心（GMD）為代表。它主要從事虛擬世界的感知、虛擬環(huán)境的控制和顯示、機(jī)器人遠(yuǎn)程控制、VR在空間領(lǐng)域的應(yīng)用、宇航員的訓(xùn)練、分子結(jié)構(gòu)的模擬研究等。德國(guó)的計(jì)算機(jī)圖形研究所（IGD）測(cè)試平臺(tái)，主要用于評(píng)估VR技術(shù)對(duì)未來系統(tǒng)和界面的影響，向用戶和生產(chǎn)者提供通向先進(jìn)的可視化、模擬技術(shù)和VR 技術(shù)的途徑。

    在亞洲，日本的VR技術(shù)研究發(fā)展十分迅速，同時(shí)在韓國(guó)、新加坡等國(guó)家也積極開展了VR技術(shù)方面的研究工作。在當(dāng)前實(shí)用VR技術(shù)的研究與開發(fā)中，日本主要致力于建立大規(guī)模VR知識(shí)庫的研究，另外在VR游戲方面的研究也做了很多工作，但日本大部分VR硬件是從美國(guó)進(jìn)口的。

    總之VR技術(shù)是一項(xiàng)投資大、具有高難度的科技領(lǐng)域，和一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)VR技術(shù)研究始于20世紀(jì)90年代初，相對(duì)其他國(guó)家來說起步較晚，技術(shù)上有一定的差距，但這已引起我國(guó)政府有關(guān)部門和科學(xué)家們的高度重視，并及時(shí)根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，制定了開展VR技術(shù)的研究計(jì)劃。例如，“九五”和“十五”規(guī)劃、國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、國(guó)防科工委等都把VR列入了重點(diǎn)資助范圍。在國(guó)家“973項(xiàng)目”中VR技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用已列為重中之重，而且支持研究開發(fā)的力度也越來越大。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)一些重點(diǎn)高等院校，已積極投入到這一領(lǐng)域的研究工作中，并先后建立起省級(jí)和更高級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。在此就不一一列舉了。縱觀VR的發(fā)展歷程，未來VR技術(shù)的研究仍將延續(xù)“低成本、高性能”原則，從軟件、硬件兩方面展開，發(fā)展方向主要?dú)w納如下。

    （1）動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。虛擬環(huán)境的建立是VR技術(shù)的核心內(nèi)容，動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

    （2）實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示技術(shù)。三維圖形的生成技術(shù)已比較成熟，而關(guān)鍵是怎樣“實(shí)時(shí)生成”，在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上，如何提高刷新頻率將是今后重要的研究?jī)?nèi)容。此外，VR還依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的虛擬設(shè)備還不能滿足系統(tǒng)的需要，有必要開發(fā)新的三維圖形生成和顯示技術(shù)。

    （3）新型交互設(shè)備的研制。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人能夠自由與虛擬世界對(duì)象進(jìn)行交互，猶如身臨其境，借助的輸入輸出設(shè)備主要有頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、三維位置傳感器和三維聲音產(chǎn)生器等。因此，新型、便宜、健壯性優(yōu)良的數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)服將成為未來研究的重要方向。

    （4）智能化語音虛擬現(xiàn)實(shí)建模。虛擬現(xiàn)實(shí)建模是一個(gè)比較繁復(fù)的過程，需要大量的時(shí)間和精力。如果將VR技術(shù)與智能技術(shù)、語音識(shí)別技術(shù)結(jié)合起來，可以很好地解決這個(gè)問題。我們對(duì)模型的屬性、方法和一般特點(diǎn)的描述通過語音識(shí)別技術(shù)轉(zhuǎn)化成建模所需的數(shù)據(jù)，然后利用計(jì)算機(jī)的圖形處理技術(shù)和人工智能技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、導(dǎo)航以及評(píng)價(jià)，將模型用對(duì)象表示出來，并且將各種基本模型靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地連接起來，然后形成系統(tǒng)模型。人工智能一直是業(yè)界的難題，人工智能在各個(gè)領(lǐng)域十分有用，在虛擬世界也大有用武之地，良好的人工智能系統(tǒng)對(duì)減少乏味的人工勞動(dòng)具有非常積極的作用。

    （5）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的展望。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)是今后虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的重要方向。隨著眾多DVE開發(fā)工具及其系統(tǒng)的出現(xiàn)，DVE本身的應(yīng)用也滲透到各行各業(yè)，包括醫(yī)療、工程、訓(xùn)練與教學(xué)以及協(xié)同設(shè)計(jì)。仿真訓(xùn)練和教學(xué)訓(xùn)練是DVE的又一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，包括虛擬戰(zhàn)場(chǎng)、輔助教學(xué)等。另外，研究人員還用DVE系統(tǒng)來支持協(xié)同設(shè)計(jì)工作。近年來，隨著Internet應(yīng)用的普及，一些面向Internet的DVE應(yīng)用使得位于世界各地多個(gè)用戶可以進(jìn)行協(xié)同工作。將分散的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)或仿真器通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)起來，采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫，形成一個(gè)在時(shí)間和空間上互相耦合的虛擬合成環(huán)境，參與者可自由地進(jìn)行交互作用。特別是在航空航天中應(yīng)用價(jià)值極為明顯，因?yàn)閲?guó)際空間站的參與國(guó)分布在世界不同區(qū)域，分布式VR訓(xùn)練環(huán)境不需要在各國(guó)重建仿真系統(tǒng)，這樣不僅減少了研制費(fèi)和設(shè)備費(fèi)用，也減少了人員出差的費(fèi)用以及異地生活的不適。