虚拟现实

  虚拟现实交互技术是一门新兴的综合信息技术,融合了数字图像处理、多媒体技术、计算机图形学、传感器技术等多方面信息技术。它通过计算机图形学构成三维数字模型,产生逼真的虚拟环境,在视觉上给用户一种立体的虚拟环境。与通常的CAD(计算机辅助设计)系统所产生的三维模型不同,它不是一个静态的世界,而是一个互动的环境。

虚拟现实交互技术主要有以下四个特征:第一,强烈的临场感。用户在模拟环境中,能够感到虚拟世界是真实存在的。第二,友好的交互性。交互性是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。例如,用户用手直接抓取环境中的物体时,手里会有握着东西的感觉,并可以感觉到物体的重量,视场中的物体也随着手的移动而移动。第三,多感知性。除了具有一般计算机的视觉感知外,还具备听觉感知、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。第四,虚拟现实世界的自主性。也就是说虚拟环境中的物体会依据物理定律进行动作。

技术基础

具体讲,虚拟现实交互技术就是使用以计算机技术为核心的现代高科技,生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境,用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生与亲临等同真实环境的感受和体验。那么,这种虚拟的真实世界是如何形成的呢?首先,需要生成虚拟实体,虚拟实体主要是针对用户的生理感觉而言;其次,用户通过人生理的自然技能同这个环境进行交互;最后,利用传感器完成人和虚拟环境的交互。

从系统上看,虚拟现实交互系统包括检测模块、反馈模块、传感器模块、控制模块以及建模模块等。在该系统中,主要采用了动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术及系统集成技术。

动态环境建模技术。使用动态环境建模技术可以获取实际环境的三维数据,并利用获得的三维数据建立相应的虚拟环境模型。采用CAD技术或非接触式的视觉建模技术获取三维数据,两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。该技术是应用计算机技术生成虚拟世界的基础。

实时三维图形生成技术。三维图形生成技术的关键是如何实现实时生成。为了达到实时的目的,在不降低图形的质量和复杂度的前提下,要保证图形刷新率不低于15帧/秒,最好是高于30帧/秒。

立体显示和传感器技术。虚拟现实的交互能力主要依靠立体显示和传感器技术。现有的虚拟现实交互技术还远远不能满足系统的需要,虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围都有待提高。用户通过传感装置可以直接对虚拟环境进行操作,并得到实时的三维显示和反馈信息(如触觉、力觉反馈等)。空间跟踪,主要是通过HMD(头盔显示器)、数据手套、数据衣等交互设备上的空间传感器,确定用户的头、手、躯体或其他操作物在虚拟环境中的位置和方向。声音跟踪,利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差等进行虚拟环境的声音跟踪。视觉跟踪,使用从视频摄像机到平面阵列、周围光或者跟踪光在图像投影平面不同时刻和不同位置上的投影,计算被跟踪对象的位置和方向。

 

系统集成技术。由于虚拟现实中包括了大量的感知信息和模型,因此系统的集成技术变得至关重要。集成技术包括信息同步技术、模型标定技术、数据转换技术、数据管理模型和识别技术等。

发展现状及应用

虚拟现实交互技术的应用领域十分广泛,主要集中在工程设计CAD、数据可视化、飞行模拟、多媒体远程教育、临床外科、远程医疗、艺术创作和娱乐等方面。

军事领域是最早研究和应用该技术的。早在1983年,美国陆军就曾制定了虚拟环境研究计划。它将分散在不同地点的坦克、车辆仿真器通过计算机网络联合在一起,形成一个虚拟战场环境,进行各种复杂任务的训练和作战演练等。从1994年开始,美国陆军与美国大西洋司令部合作建立了一个包括海陆空所有兵种,有3700多个仿真实体参与的,地域范围覆盖500km×750km范围的军事演练环境。

在医疗方面,虚拟现实技术更是大有作为,具有十分重要的现实意义。通过在虚拟环境中建立虚拟的人体模型,借助HMD、跟踪球、感觉手套等设备,医生就会很容易了解人体内部各器官的结构。20世纪90年代初,Pieper和Satara等研究者基于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。这个训练器虚拟了真实的手术台与手术灯、外科工具(如手术刀、注射器、手术钳等)和人体模型器官等。借助于HMD及感觉手套,使用者可以对虚拟的人体模型实施手术。随着该技术在医学领域的应用,必将会减少手术风险,大大造福患者。

结合了虚拟现实技术的GrImage栅格影像技术因为融合了视觉效果、物理仿真和实时功能,也是新一代虚拟空间应用的重要方面。这项技术使用了多种复杂软件,通过精确的3D数据运算,建立了高质量的3D建模。在物理仿真方面使用了SOFA软件,根据物体的曲线图构建多种实体模型,包括可变形的模型和碰撞模型等等。当把任何一件物品放入作用空间中时,GrImage就会立刻在虚拟空间中进行三维建模,变成或软或硬的虚拟物体。

虚拟现实交互技术可以把虚拟物体变成我们可触及的东西,你可以推、抓,甚至挤压他们。它能在相互空间中俘获真实物件,利用三维建模实现高质量的虚拟克隆,变成用户可触及的东西,缩短生活中重要的人员、地点和活动之间的距离(社区、工作地点、玩游戏、教学等)。通过使用这项技术,我们可以在虚拟世界中实现更多的惊奇体验,比如在虚拟空间中见面握手。

也许,你会认为虚拟化现实技术离我们的生活仍然很遥远。但是实际上,目前世界许多公司已经使用虚拟现实技术进行产品的网上宣传了。客户通过鼠标、键盘等简单操作就可以了解到产品的详细情况。比如海尔公司的冰王子电冰箱,客户只需在网页上,使用鼠标拖拽旋转冰箱;单击冰箱门可以打开冰箱,再单击关闭;可以任意抽拉里面的部件;使用控制按钮可以控制冰箱执行动画演示以及规定的展示动作。