虛擬現(xiàn)實(shí)的前世今生

　　虛擬現(xiàn)實(shí)，英文名為Virtual Reality，簡稱VR技術(shù)。這一名詞是由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾(Jaron Lanier)在80年代初提出的，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。作為一項(xiàng)尖端科技，虛擬現(xiàn)實(shí)集成了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計(jì)算機(jī)生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)，它最早源于美國軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，九十年代初逐漸為各界所關(guān)注并且在商業(yè)領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的發(fā)展。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過計(jì)算機(jī)圖形構(gòu)成的三維數(shù)字模型，并編制到計(jì)算機(jī)中去生成一個(gè)以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環(huán)境，從而使得在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于這個(gè)環(huán)境的感覺，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用，使人和計(jì)算機(jī)很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)的最大特點(diǎn)是：用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互操作，改變了過去人類除了親身經(jīng)歷，就只能間接了解環(huán)境的模式，從而有效的擴(kuò)展了自己的認(rèn)知手段和領(lǐng)域。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)演示媒體，而且還是一個(gè)設(shè)計(jì)工具，它以視覺形式產(chǎn)生一個(gè)適人化的多維信息空間，為我們創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界提供了有利的支持。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類

　　桌面級的虛擬現(xiàn)實(shí)

　　桌面虛擬現(xiàn)實(shí)利用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級工作站進(jìn)行仿真，計(jì)算機(jī)的屏幕用來作為用戶觀察虛擬境界的一個(gè)窗口，各種外部設(shè)備一般用來駕馭虛擬境界，并且有助于操縱在虛擬情景中的各種物體。這些外部設(shè)備包括鼠標(biāo)，追蹤球，力矩球等。它要求參與者使用位置跟蹤器和另一個(gè)手控輸入設(shè)備，如鼠標(biāo)，追蹤球等，坐在監(jiān)視器前，通過計(jì)算機(jī)屏幕觀察360度范圍內(nèi)的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時(shí)參與者并沒有完全投入，因?yàn)樗匀粫?huì)受到周圍現(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾。桌面級的虛擬現(xiàn)實(shí)最大特點(diǎn)是缺乏完全投入的功能，但是成本也相對低一些，因而，應(yīng)用面比較廣。常見桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有：

　　基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：這種技術(shù)不采用傳統(tǒng)的利用計(jì)算機(jī)生成圖像的方式，而采用連續(xù)拍攝的的圖像和視頻，在計(jì)算機(jī)中拼接以建立的實(shí)景化虛擬空間，這使得高度復(fù)雜和高度逼真的虛擬場景能夠以很小的計(jì)算代價(jià)得到，從而使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可能在PC平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。

　　VRML(虛擬現(xiàn)實(shí)造型語言)：它是一種在Internet網(wǎng)上應(yīng)用極具前景的技術(shù)，它采用描述性的文本語言描述基本的三維物體的造型，通過一定的控制，將這些基本的三維造型組合成虛擬場景，當(dāng)瀏覽器瀏覽這些文本描述信息時(shí)，在本地進(jìn)行解釋執(zhí)行，生成虛擬的三維場景。VRML的最大特點(diǎn)在于利用文本描述三維空間，大大減少了在Internet網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而使得需要大量數(shù)據(jù)的虛擬現(xiàn)實(shí)得以在Internet網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)。

　　桌面CAD系統(tǒng)：利用Open GL、DirectDraw等桌面三維圖形繪制技術(shù)對虛擬世界進(jìn)行建模，通過計(jì)算機(jī)的顯示器進(jìn)行觀察，并有能自由地控制的視點(diǎn)和視角。這種技術(shù)在某種意義上來說也是一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它通過計(jì)算機(jī)計(jì)算來生成三維模型，模型的復(fù)雜度和真實(shí)感受桌面計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制。

　　投入的虛擬現(xiàn)實(shí)

　　高級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供完全投入的功能，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個(gè)新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中、并能全心投入和沉浸其中的感覺。常見的沉浸式系統(tǒng)有：

　　基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)：在這種系統(tǒng)中，參與虛擬體驗(yàn)者要戴上一個(gè)頭盔式顯示器，視聽覺與外界隔絕，根據(jù)應(yīng)用的不同，系統(tǒng)將提供能隨頭部轉(zhuǎn)動(dòng)而隨之產(chǎn)生的立體視覺、三維空間。通過語音識別、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)服裝等先進(jìn)的接口設(shè)備，從而使參與者以自然的方式與虛擬世界進(jìn)行交互，如同現(xiàn)實(shí)世界一樣。這是目前沉浸度最高的一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

　　投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：它可以讓參與者從一個(gè)屏幕上看到他本身在虛擬境界中的形象，為此，使用中電視技術(shù)中的"鍵控"的技術(shù)，參與者站在某一純色(通常為蘭色)背景下，架在參與者前面的攝像機(jī)捕捉參與者的形象，并通過連接電纜，將圖像數(shù)據(jù)傳送給后臺(tái)處理的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將參與者的形象與純色背景分開，換成一個(gè)虛擬空間，與計(jì)算機(jī)相連的視頻投影儀將參與者的形象和虛擬境界本身一起投射到參與者觀看的屏幕上，這樣，參與者就可以看到他自己在虛擬空間中的活動(dòng)情況。參與者還可以與虛擬空間進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互，計(jì)算機(jī)可識別參與者的動(dòng)作，并根據(jù)用戶的動(dòng)作改變虛擬空間，比如來回拍一個(gè)虛擬的球或走動(dòng)等，這可使得參與者感覺就象是在真實(shí)空間中一樣。

　　遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)：遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)是一種虛擬現(xiàn)實(shí)與機(jī)器人控制技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)，當(dāng)某處的參與者操縱一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)時(shí)，其結(jié)果卻在另一個(gè)地方發(fā)生，參與者通過立體顯示器獲得深度感，顯示器與遠(yuǎn)地的攝像機(jī)相連;通過運(yùn)動(dòng)跟蹤與反饋裝置跟蹤操作員的運(yùn)動(dòng)，反饋遠(yuǎn)地的運(yùn)動(dòng)過程(如阻尼、碰撞等)，并把動(dòng)作傳送到遠(yuǎn)地完成。

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來模擬現(xiàn)實(shí)世界、仿真現(xiàn)實(shí)世界，而且要利用它來增強(qiáng)參與者對真實(shí)環(huán)境的感受，也就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中無法感知或不方便感知感受。這種類型虛擬現(xiàn)實(shí)典型的實(shí)例是戰(zhàn)機(jī)飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數(shù)和武器瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而可集中精力盯著敵人的飛機(jī)和導(dǎo)航偏差。

　　分布式虛擬現(xiàn)實(shí)

　　如果多個(gè)用戶通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時(shí)參加一個(gè)虛擬空間，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷，那虛擬現(xiàn)實(shí)則提升到了一個(gè)更高的境界，這就是分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。目前最典型的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是作戰(zhàn)仿真互聯(lián)網(wǎng)和SIMNET，作戰(zhàn)仿真互聯(lián)網(wǎng)(Defense Simulation Internet， DSI)是目前最大的VR項(xiàng)目之一。該項(xiàng)目是由美國國防部推動(dòng)的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，目的是使各種不同的仿真器可以在巨型網(wǎng)絡(luò)上互聯(lián)，它是美國國防高級研究計(jì)劃局1980年提出的SIMNET計(jì)劃的產(chǎn)物。SIMNET由坦克仿真器(Cab類型的)通過網(wǎng)絡(luò)連接而成，用于部隊(duì)的聯(lián)合訓(xùn)練。通過SIMNET，位于德國的仿真器可以和位于美國的仿真器一樣運(yùn)行在同一個(gè)虛擬世界，參與同一場作戰(zhàn)演習(xí)。