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浅谈虚拟现实技术

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  摘 要:随着科学技术的进步和发展,虚拟现实技术逐渐渗透各个行业,不仅给人们带来了前所未有的新鲜体验,而且给各行业带来了许多便捷。文章概括介绍了虚拟现实技术的概念、发展历史、特征,有关虚拟现实涉及的技术及应用。
  关键词:虚拟现实技术;发展历史;关键技术
  一、虚拟现实技术的概念
  虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统,它是通过利用计算机而生成的一种模拟环境,是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真,可以使用户沉浸到该环境中。
  二、虚拟现实发展历史
  1.第一阶段(1963年以前)有声形动态的模拟是蕴涵虚拟现实思想的阶段
  1929年,Edward Link设计出用于训练飞行员的模拟器;1956年,Morton Heilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama。
  2.第二阶段(1963—1972 )虚拟现实萌芽阶段
  1965年,Ivan Sutherland发表论文“UltimateDisplay” (终极的显示);1968年,Ivan Sutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器(HMD);1972年,Nolan Bushell开发出第一个交互式电子游戏Pong。
  3.第三阶段(1973—1989 )虚拟现实概念的产生和理论初步形成阶段
  1977年,Dan Sandin等研制出数据手套Sayre Glove;1984年,NASA AMES研究中心开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器;1984年,VPL公司的Jaron Lanier首次提出“虚拟现实”的概念;1987年,Jim Humphries设计了双目全方位监视器(BOOM)的最早原型。
  4.第四阶段(1990年至今 )虚拟现实理论进一步的完善和应用阶段
  1990年,提出VR技术包括三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术;VPL公司开发出第一套传感手套“DataGloves”,第一套HMD “EyePhoncs”;21世纪以来,VR技术高速发展,软件开发系统不断完善,有代表性的如MultiGen Vega、Open Scene Graph、Virtools等。
  三、虚拟现实技术的特征及其关键技术
  (一)虚拟现实技术具有四个重要特征
  1.多感知性
  多感知性指除一般计算机所具有的视觉感知外,还有听觉感知、触觉感知、运动感知,甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。
  2.存在感
  存在感指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度。
  3.交互性
  交互性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。
  4.自主性
  自主性指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。
  (二)虚拟现实的关键技术
  1.动态环境建模技术
  虚拟环境的建立是VR系统的核心内容,目的就是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要建立相应的虚拟环境模型。
  2.实时三维图形生成技术
  三维图形的生成技术已经较为成熟,那么关键就是“实时”生成。为了达到实时的目的,至少保证图形的刷新频率不低于15帧/秒,最好高于30帧/秒。
  3.立体显示和传感器技术
  虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展,现有的设备远远不能满足需要,力学和触觉传感装置的研究也有待进一步深入,虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高。
  4.应用系统开发工具
  虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象,例如如何发挥想象力和创造性。选择适当的应用对象可以大幅度提高生产效率,减轻劳动强度,提高产品质量。想要达到这一目的,则需要研究虚拟现实的开发工具。
  5.系统集成技术
  由于VR系统中包括大量的感知信息和模型,因此系统集成技术起着至关重要的作用,集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等。
  四、虚拟现实在生活中的应用
  虚拟现实技术近年来应用于各个方面,现在挑出几个代表进行介绍。
  1.虚拟现实技术在游戏娱樂方面的应用
  虚拟理想技术使人无论怎样转动视角,其所看到的场景均为电脑预先设定的虚拟场景,从而使使用者感到身在其中,产生极强的沉浸感与参与感。尽管玩家内心清楚游戏中的人物与场景全是假的,但环绕视野与声光触觉模拟器使他的潜意识认为自己处于真实的世界,电脑能够立即中止简单的运算,将准确的3D世界影像传回,爆发临场感,达到人在房中但心游天下的效果。
  这项技术相比传统显示技术最大的不同是以一个360°无死角的屏幕代替了有限的一维屏界,给人以身临其境之感,与BD技术的结合和传感器的使用更减少了传统游戏无法避免的人机隔阂,具有广阔的市场前景与应用价值。在美国芝加哥虚拟娱乐世界,人们排长队购买门票参加虚拟现实的战斗游戏。游戏人坐在驾驶舱里,舱内有控制器立体屏幕。游玩的人可以乘飞艇探测遥远的星球,飞行中要保护自己防止巨型坦克的袭击,并用激光枪展开射击竞赛,也可以低头弯腰、扭身拐行,躲开史前翼身恐龙的冲击。
  2.虚拟现实技术在医学方面的应用
  虚拟现实技术可以进行个性化医学诊断、治疗,逼真预期不同的治疗方案在人体上的不同反应。与传统的主观判断相比,在虚拟人体上进行各种无法在真人身上进行的诊疗试验,可以根据获得的治疗数据和人体反应进行科学分析和判断,可以做出更加理性和真实可行的诊断和治疗方案。虚拟手术仿真系统可以根据各种医学影像信息和数据创建虚拟手术环境,并在虚拟环境中建立3D模型设计切口位置、角度,预演手术的过程,从中可以提前预测手术过程中可能出现的问题并采取补救措施,从而提高手术的成功率。有了这个虚拟系统,医生可以更加合理地选择制订手术方案和方法,减少手术给患者带来的各种损伤和伤害,并可以提高准确判断病灶的位置的准度,对各种复杂的内科、外科手术都有很好的辅助判断效果。   3.虚拟现实技术在教育方面的应用
  在不能室外教学的情况下,可以利用互联网和虚拟现实技术观摩实际发生的地理室外教学,以弥补无法外出的缺憾。VR 虚拟现实技术正是适应了这一要求,营造了一种满足学生探索自然奥秘、认识社会生活环境的学习环境。虚拟现实技术的实施还有利于营造促使学生形成地理信息意识与能力的教学环境,使地理课堂教学方式呈现出多样性、创造性和新颖性。VR 技术改变了教材的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式 与师生活动方式,极大促进了地理课堂教学改革。
  4.虚拟现实技术在心理学方面的应用
  虚拟现实技术其实最早被用于焦虑障碍的治疗,且主要集中在恐高症、飞行恐怖、幽闭恐怖和广场恐怖等方面。1994年,Rothbaum小组设计出了一套治疗飞行恐怖的虚拟现实系统,成功治愈了一名女性飞行恐怖患者。该小组还对虚拟现实暴露疗法和传统疗法进行了比较,发现虚拟现实与传统暴露疗法效果相当并且可以长期保持。Muhlberger小组将30名飞行恐怖患者随机分为虚拟现实组和放松治疗组,治疗后两组都有明显改善,但是虚拟现实组的效果明显优于对照组。类似的研究还有很多,都证明虚拟现实的确拥有良好的治疗作用。
  五、虚拟现实技术的进一步展望
  虚拟现实技术是许多相关学科领域交叉、集成的产物。它的研究内容涉及人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等。虽然这个领域的技术潜力是巨大的,应用前景也是很广阔的,但仍存在许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论,目前虚拟现实技术所取得的成就,绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力,仅仅是刚刚开始涉及人的感知系统和肌肉系统与计算机结合作用问题,还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时,人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底克服。我们期待有朝一日,虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统,成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。
  參考文献:
  [1]钟洁,陈哲,常培俊.虚拟现实技术在教育领域的发展思考[J].企业科技与发展,2017(12).
  [2]乔裕栋.虚拟现实技术在教育事业上的应用及影响[J].中国新通信,2018(2).
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