走近虚拟现实 赵美琪、余胜泉 "虚拟现实,什么呀?"伽啡猫皱着双眉嘟囔着. 看着小博士远去的背影,一大串"?"浮现在伽啡猫的眼前. "伽啡猫,过来."小博士冲着他笑笑,"来,坐这儿,戴上这个头盔、手套." "博士,你干什么?"伽啡猫又惊又怕. "带你去个好地方."小博士狡黠地笑了笑. "哇塞,skyscrape,博士,这是在哪儿啊?几年后的这儿." "真想进去看看里面的装饰嗳!" "没问题,Let's go!" 伽啡猫迫不及待地推开门,东瞅瞅西看看,"不错不错,不过我喜欢把台灯放在书桌左侧." "你自己挪一下,不就行了吗?" "好!" 伽啡猫欢蹦乱跳地把家具搬来搬去,忙得不亦乐乎.重新布置过的房间充满了 个人气息,令人舒畅不已. "好了,伽啡猫,今天就到这儿了."博士边说边帮他摘下头盔、手套. 伽啡猫使劲地眨了眨眼睛,发现自己还是坐在椅子上,前面就一台电脑,傻了. "这就是虚拟现实."小博士又眨了眨眼睛,笑着走了. "这到底是怎么回事?"看着博士的背影,眼前的"?"更大更多."不行,我一定要把它弄个水落石出."伽啡猫一脸的不服气.说干就干.跑图书馆、上网查资料,一点不马虎. 噢,原来"虚拟现实(简称VR:Virtual Reality)"这个小baby1989年诞生于美国VRL Research Inc 公司的J.Lanier笔下,它通常是指用立体眼镜(见图)、传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实,人们通过这些设施以自然的方式(如头的转动、身体的运动等)向计算机送入各种动作信息,并且通过视觉、听觉以及触觉实施使人们得到三维的视觉、听觉及触觉等感觉世界.随着人们不同的动作信息,这些感觉也随之改变.伽啡猫托着腮帮子想了想:确实,那天他真的把台灯从右边挪到了左边,而且折腾了半天之后,他确实感觉自己胳臂酸酸的. 小baby一开始孤家寡人,满可怜的.不过近几年小家伙茁壮成长,家族也慢慢庞大,"人工现实"(Artificial Reality)、"虚拟环境"(Virtual Environment)、"赛伯空间"(Cyberspace)等都是他的亲兄弟. 伽啡猫还发现,事实上,虚拟现实技术不仅仅是指那些戴着头盔和手套的技术,而且还应该包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法.小家伙来到这个世界的根本目的就是达到真实体验和基于自然技能的人机交互,能够达到或者部分达到这样目标的系统就称为虚拟现实系统.根据用户参与VR的不同形式以及沉浸的程度不同,可以把各种类型的虚拟现实技术划分四类: 1.桌面虚拟现实 桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真,将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口.通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互,这些外部设备包括鼠标,追踪球,力矩球等.它要求参与者使用输入设备,通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界,并操纵其中的物体,但这时参与者缺少完全的沉浸,因为它仍然会受到周围现实环境的干扰.桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验,但是成本也相对较低,因而,应用比较广泛.常见桌面虚拟现实技术有:基于静态图像的虚拟现实QuickTime VR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等. 2.沉浸的虚拟现实 高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验,使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉.它利用头盔式显示器(见图)或其它设备,把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来,并提供一个新的、虚拟的感觉空间,并利用位置跟踪器、数据手套(见图)、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉.常见的沉浸式系统有:基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统. 3.增强现实性的虚拟现实 增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界,而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受,也就是增强现实中无法感知或不方便的感受.典型的实例是战机飞行员的平视显示器,它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上,它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据,从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差. 4.分布式虚拟现实 如果多个用户通过计算机网络连接在一起,同时参加一个虚拟空间,共同体验虚拟经历,那虚拟现实则提升到了一个更高的境界,这就是分布式虚拟现实系统.在分布式虚拟现实系统中,多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作,以达到协同工作的目的.目前最典型的分布式虚拟现实系统是SIMNET,SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成,用于部队的联合训练.通过SIMNET,位于德国的仿真器可以和位于美国的仿真器一样运行在同一个虚拟世界,参与同一场作战演习. 伽啡猫看了这么一大段,有点不知所以然,什么跟什么嘛?好多好多术语都搞不明白.幸好有些图片可以大致地看看,先有个感性的认识再说,一些小细节以后再慢慢琢磨.看来小baby已经长大了,他已经有自己的思想,正如一个充满幻想的少年,慢慢的有了自己的魅力.Burdea G.利索地用三个"I"来评价这位少年,即Immersion-Interaction-Imagination(沉浸-交互-构想). 沉浸感(Immersion) 使用者与计算机完全通过自然的交互方式,完全沉浸在计算机 所营造的虚拟环境中. 交互性(Interaction) 是VR系统区别于传统三维动画(Animation)的特征,使用者不再是被动地接受信息或者是旁观,而是能够使用交互输入设备操纵虚拟物体,改变虚拟世界. 想象(Imagination) 是指使用者利用VR系统可以从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识从而深化概念和萌发新意. 伽啡猫自言自语道:"小家伙天资聪慧,本事也够硬,不知他在我们这个花花世界中扮演的又是什么样的角色?据我目前所知,好像只在游戏中听到过"虚拟现实"这个词,噢,还有就是博士让我进"屋"参观,让我自己修改不满意的地方,估计这在商场上算得上是一个绝招吧!" "My God!" 伽啡猫一翻资料惭愧地直想钻到老鼠洞里,"这么多东西我都不知道,太没面子了,这家伙的威力也真够不小啊!"一起来看看这家伙的本事,不由你不惊叹! 军事:1983年DARPA和美国陆军共同制定的SIMNET (SIMulator NETworking)研究计划,将分散在不同地点的地面坦克、车辆仿真器通过计算机网络联合在一起,进行各种复杂任务的训练和作战演练.这是VR技术最早的研究与应用的领域之一. 产品设计与性能评价:波音777由300万个零件组成,所有的设计在一个由数百台工作站组成的虚拟环境中进行.设计师戴上头盔显示器后,可以穿行于设计中的虚拟"飞机",审视"飞机"的各项设计指标. 教育:将VR技术应用于教育可以使学生能够游览海底、遨游太空、观摩历史城堡,甚至深入原子内部观察电子的运动轨迹和体验爱因斯坦的相对论世界,从而更形象地获取知识,激发思维. 娱乐:第一个大规模的VR娱乐系统"BattleTech",将每个"座舱"仿真器连网进行组之间的对抗,3D逼真视景、游戏杆、油门、刹车和受到打击时的晃动给用户很强的感官刺激. VR还可以应用于高难度和危险环境下的作业训练.如医疗手术训练的VR系统,用CT或MRI数据在计算机中重构人体或某一器官的几何模型,并赋予一定的物理特征(例如密度、韧度、组织比例等),通过机械手或数据手套等高精度的交互工具在计算机中模拟手术过程,以达到训练、研究的目的.美国的NASA和欧洲空间局ESA曾成功地将VR技术应用于航天运载器的空间活动、空间站的操作和对哈勃太空望远镜维修方面的地面训练. "好家伙,本事还真不小."伽啡猫真是服了它了. "咦,不对啊,'人无完人',它还处在发展初期,肯定还有许多不足和急需发展的地方,我来找找看." 要想这个小家伙能健康成长,就必须提高VR系统的交互性、逼真感和沉浸感,因为这是它的灵魂所在.为了达到这个目的,在新型传感和感知机理、几何与物理建模新方法、高性能计算,特别是高速图形图像处理,以及人工智能、心理学、社会学等方面都有许多挑战性的问题有待解决. 同时,解决因虚实结合而引起的生理和心理问题是建立和谐的人机环境的最后难点. 例如,在以往的飞行模拟器中就存在一个长期未曾解决的现象,即模拟器晕眩症.无论是在简单的还是高级的飞行模拟器中,受训者都会或多或少地会产生一种类似动晕症的症状,严重时甚至影响到受训者在操作中的安全性.这种症状的表现是:眼睛疲劳、晕眩、头痛、恶心等.在某些情况下还会产生后效应,如短时间的迷失方向,或存在某种幻觉.引发模拟器晕眩症的原因是多种多样的,它的症状也是因人而异的. 另外,我们还不应该在虚拟现实系统中把本该使人发生晕眩的客观运动模拟成毫无异常的平稳运动,这也是不真实的表现.简而言之,一个逼真的虚拟现实系统,它的效果应该是针对某一特定的人,执行某一特定的任务而言,在实际的物理系统中该发生晕眩感的,则在虚拟现实系统中也应发生,在实际的物理系统中不该发生晕眩感的,则在虚拟现实系统中也不该发生.为此,必须解决一系列因虚实结合而引起的生理及心理问题,否则也很难建立起真正和谐的人机环境. "哎,问题还是有那么一大箩筐的.革命尚未成功,同志仍需努力!" 伽啡猫唰唰地写下他这几天的感受. "博士,作业,完成了,您看,行吗?" "我先看看."笑笑,走了.  

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