虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要研究對象、現(xiàn)狀與未來趨勢

    虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要研究對象

    （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，需要研究高效的建模方法，重建其演化規(guī)律以及虛擬對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，重點解決合成信息的高保真性和實時性問題，以提高沉浸感。

    （3）人與虛擬環(huán)境交互的自然性。合成的感知信息實時地通過界面?zhèn)鬟f給用戶，用戶根據(jù)感知到的信息對虛擬環(huán)境中事件和態(tài)勢做出分析和判斷，并以自然方式實現(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)交互模式和個性化的自然交互技術(shù)等，以提高人機(jī)交互效率。

    （4）實時顯示問題。盡管理論上講能夠建立起高度逼真的，實時漫游的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，同時又是實時交互的VR。其根本原因是因為引入了用戶交互，需要動態(tài)生成新的圖形時，就不能達(dá)到實時要求，從而不得不降低圖形的逼真度以減少處理時間，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)實的重要瓶頸，虛擬現(xiàn)實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景的動態(tài)特性，換句話說，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)要求隨著人的活動（位置、方向的變化）即時生成相應(yīng)的圖形畫面。

    （6）人工智能技術(shù)（Artificial Intelligence，簡稱AI）。在VR中，計算機(jī)是從人的各種動作，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，如語音識別、圖像識別、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)，同時也是VR 技術(shù)的難點。

    本質(zhì)上，上述6個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)識客觀事物的目的。概括地說，圍繞著虛擬現(xiàn)實展開的研究都是圍繞著這6個基本問題的。

    虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與未來趨勢

    虛擬現(xiàn)實技術(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、文物保護(hù)、交通模擬、虛擬現(xiàn)實游戲、工業(yè)設(shè)計和遠(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，并且會運用得更加廣泛。因為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點，它可以滲透到人們工作和生活的每個角落，所以虛擬現(xiàn)實技術(shù)對人類社會的意義是非常大的。正因為如此，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，它已經(jīng)滲透到科學(xué)、技術(shù)、工程、醫(yī)學(xué)、文化和娛樂的各個領(lǐng)域中了，受到各個領(lǐng)域人們的極大關(guān)注。

    VR應(yīng)用極為廣泛，Helsel與Doherty早在1993年對世界范圍內(nèi)進(jìn)行的805項VR研究做了統(tǒng)計，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，在可視化計算、制造業(yè)等方面也有相當(dāng)?shù)谋戎�。下面簡要介紹部分應(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SGI工作站建立了一個虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練器，用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺與手術(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)境的真實感，增加網(wǎng)絡(luò)功能，使其能同時培訓(xùn)多個使用者，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)的計劃安排，手術(shù)過程的信息指導(dǎo)，手術(shù)后果預(yù)測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VR 的真實感要求不是太高，故近些年來VR在該方面發(fā)展非常迅猛。如美國芝加哥開放了世界上第一臺大型可供多人使用的VR娛樂系統(tǒng)，其主題是關(guān)于3025年的一場未來戰(zhàn)爭；英國開發(fā)的稱為“Virtuality”的VR游戲系統(tǒng)，配有HMD，大大增強(qiáng)了真實感；1992年的一臺稱為“Legeal Qust”的系統(tǒng)由于增加了人工智能功能，使計算機(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。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等等。

    對藝術(shù)的潛在應(yīng)用價值同樣適用于教育，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“虛擬的物理實驗室”，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)中的一個重要課題，這為VR提供了廣闊的應(yīng)用前景。美國國防部高級研究計劃局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)計一新型建筑物時，可以在建筑物動工之前用VR技術(shù)顯示一下；當(dāng)財政發(fā)生危機(jī)時，可以幫助分析大量的股票、債券等方面的數(shù)據(jù)以尋找對策等。

    以上僅列出了虛擬現(xiàn)實的部分應(yīng)用前景，可以預(yù)見，在不久的將來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會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。在國外VR技術(shù)研究方面研究得較好成果的有美國、德國、英國、日本、韓國等國家。在國內(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VR技術(shù)的研究水平基本上代表了國際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家，其研究內(nèi)容幾乎涉及從新概念發(fā)展（如VR的概念模型）、單項關(guān)鍵技術(shù)（如觸覺反饋）到VR系統(tǒng)的實現(xiàn)及應(yīng)用等有關(guān)VR技術(shù)的各個方面。

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

    英國在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、應(yīng)用研究等方面，在歐洲是排名靠前的。

    在德國，以德國FhG-IGD圖形研究所和德國計算機(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。德國的計算機(jī)圖形研究所（IGD）測試平臺，主要用于評估VR技術(shù)對未來系統(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，同時在韓國、新加坡等國家也積極開展了VR技術(shù)方面的研究工作。在當(dāng)前實用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硬件是從美國進(jìn)口的。

    總之VR技術(shù)是一項投資大、具有高難度的科技領(lǐng)域，和一些發(fā)達(dá)國家相比，我國VR技術(shù)研究始于20世紀(jì)90年代初，相對其他國家來說起步較晚，技術(shù)上有一定的差距，但這已引起我國政府有關(guān)部門和科學(xué)家們的高度重視，并及時根據(jù)我國的國情，制定了開展VR技術(shù)的研究計劃。例如，“九五”和“十五”規(guī)劃、國家863計劃、國家自然科學(xué)基金會、國防科工委等都把VR列入了重點資助范圍。在國家“973項目”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，國內(nèi)一些重點高等院校，已積極投入到這一領(lǐng)域的研究工作中，并先后建立起省級和更高級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。在此就不一一列舉了�？v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)展方向主要歸納如下。

    （1）動態(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，動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(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）實時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“實時生成”，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內(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)實技術(shù)實現(xiàn)人能夠自由與虛擬世界對象進(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)實建模。虛擬現(xiàn)實建模是一個比較繁復(fù)的過程，需要大量的時間和精力。如果將VR技術(shù)與智能技術(shù)、語音識別技術(shù)結(jié)合起來，可以很好地解決這個問題。我們對模型的屬性、方法和一般特點的描述通過語音識別技術(shù)轉(zhuǎn)化成建模所需的數(shù)據(jù)，然后利用計算機(jī)的圖形處理技術(shù)和人工智能技術(shù)進(jìn)行設(shè)計、導(dǎo)航以及評價，將模型用對象表示出來，并且將各種基本模型靜態(tài)或動態(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)對減少乏味的人工勞動具有非常積極的作用。

    （5）分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的展望。分布式虛擬現(xiàn)實是今后虛擬現(xiàn)實技術(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。仿真訓(xùn)練和教學(xué)訓(xùn)練是DVE的又一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域，包括虛擬戰(zhàn)場、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用戶可以進(jìn)行協(xié)同工作。將分散的虛擬現(xiàn)實系統(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，形成一個在時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)用價值極為明顯，因為國際空間站的參與國分布在世界不同區(qū)域，分布式VR訓(xùn)練環(huán)境不需要在各國重建仿真系統(tǒng)，這樣不僅減少了研制費和設(shè)備費用，也減少了人員出差的費用以及異地生活的不適。