周俊祥

（商丘師范學(xué)院，河南 商丘 476000）

“數(shù)字時(shí)代”下的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

周俊祥

（商丘師范學(xué)院，河南 商丘 476000）

隨著社會(huì)信息化程度的不斷加深，一維和二維的信息處理技術(shù)已經(jīng)無法滿足人們的信息交流需求。在“讀圖時(shí)代”和“數(shù)字時(shí)代”，立體的、直觀的、形象的信息才是人們的首選。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種高新的、有待完善的信息技術(shù)手段，已經(jīng)在很多領(lǐng)域展現(xiàn)了其不可阻擋的魅力。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；虛擬空間；虛擬作戰(zhàn)平臺(tái)

2010年1月4日，《阿凡達(dá)》在中國首映，其精心制作的虛擬現(xiàn)實(shí)場景畫面（60%的畫面都是由虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)技術(shù)制作），給予了觀眾前所未有的視覺和心靈沖擊。這部由卡梅隆導(dǎo)演的大作在中國市場獲得了巨大的商業(yè)成功，也讓人們把目光重新聚焦于數(shù)字影院和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的本質(zhì)

1.VR技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology，簡稱為VR技術(shù)），是一種可以構(gòu)建類似自然世界的虛擬世界并能與之交互的一項(xiàng)高新的綜合模擬系統(tǒng)技術(shù)和數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)。該技術(shù)利用3D數(shù)字化系統(tǒng)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)的科學(xué)可視化技術(shù)，生成三維的、逼真的、多種感知的虛擬環(huán)境，用戶可以通過適當(dāng)設(shè)備進(jìn)入這個(gè)虛擬空間，并與空間中的其他事物進(jìn)行實(shí)時(shí)感知、交互和操作。

VR技術(shù)本質(zhì)上是一種先進(jìn)的、綜合性的計(jì)算機(jī)用戶接口技術(shù)，它集成了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、圖形圖像實(shí)時(shí)生成技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、人工智能等技術(shù)，諸多技術(shù)手段的集成和滲透使VR技術(shù)能夠給用戶以逼真的環(huán)境體驗(yàn)。該技術(shù)的一個(gè)近乎神話的作用是，它能讓用戶進(jìn)入到幾乎所有的宏觀世界和微觀世界，并能毫發(fā)無損地出來。因此，該技術(shù)被稱作“21世紀(jì)最具應(yīng)用前景的三大技術(shù)”之一（另外兩項(xiàng)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)）。

2.VR技術(shù)的特征

借助VR技術(shù)，用戶可以進(jìn)入一個(gè)虛擬的立體場景，通過交互作用和自身感知多角度地獲得所在場景中的各種信息。

具體來說，VR技術(shù)有三個(gè)突出特征：

（1）多感知性,即用戶能在虛擬環(huán)境中獲得觸覺、聽覺、視覺等感官體驗(yàn)。

（2）實(shí)時(shí)交互性，即用戶可以通過數(shù)據(jù)設(shè)備與環(huán)境和環(huán)境中模擬的實(shí)體自然地、實(shí)時(shí)地交流互動(dòng)。

（3）沉浸感，即用戶感覺自己所在的逼真虛擬環(huán)境是真實(shí)的，有臨場感。

沉浸感主要依賴于使用者與合成圖像的集成。頭盔顯示器是沉浸式系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它是一種將使用者與真實(shí)環(huán)境隔離的先進(jìn)顯示裝置，可為左、右眼提供兩個(gè)包含平行視差的獨(dú)立圖像，在正確條件下，可產(chǎn)生真實(shí)感極強(qiáng)的立體感視景。

（4）自主性，即虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動(dòng)作的程度。

其中，沉浸感和實(shí)時(shí)交互性是虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)質(zhì)，通過在環(huán)境中的體驗(yàn)來獲得各種空間信息和邏輯信息才是虛擬現(xiàn)實(shí)的最終目的。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)的幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)依賴于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)模型的構(gòu)建需要三個(gè)步驟模型的創(chuàng)建;模型的導(dǎo)入;模型的控制。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)從面向用戶的角度上看，主要由以下三部分組成：虛擬場景、虛擬化身、人機(jī)交互接口網(wǎng)絡(luò)。

VR的實(shí)時(shí)三維空間表現(xiàn)能力、自然的人機(jī)交互式操作環(huán)境以及給人帶來的身臨其境感受，從根本上改變了人與計(jì)算機(jī)之間枯燥、生硬和被動(dòng)的現(xiàn)狀。鑒于此，VR技術(shù)得到了人們的日益重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用到了三千多個(gè)領(lǐng)域。現(xiàn)僅就其在教育、軍事和科研開發(fā)三個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用加以探討，以期拋磚引玉。

1.VR技術(shù)在教育上的應(yīng)用

多年來,希望突破人——機(jī)之間信息交流這種呆板的數(shù)字化方式,想象著能在一種圖文并茂、繪聲繪色、如臨其境、栩栩如生的人——機(jī)和諧的信息環(huán)境下工作、學(xué)習(xí)與創(chuàng)造,用自己的感覺感官接受和處理各種信息,并加工成為人們對(duì)客觀事物的認(rèn)識(shí)。這種以求知為目的的想法已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)，這就是VR技術(shù)在教學(xué)上的應(yīng)用。VR技術(shù)在教學(xué)上比較成熟的常見應(yīng)用技術(shù)包括：

（1）虛擬訓(xùn)練基地，學(xué)生的動(dòng)手能力一直是應(yīng)試教育的一個(gè)短板?，F(xiàn)在，我們可以運(yùn)用VR技術(shù)建立起虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬演練場來訓(xùn)練提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力、當(dāng)眾演講能力等各種素質(zhì)。這樣，愿意做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生就能不受物質(zhì)條件和時(shí)空的限制安全地去做試驗(yàn)，內(nèi)向的同學(xué)就能面對(duì)一大幫的虛擬人高聲演講……虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠全身心地進(jìn)入角色。在培訓(xùn)學(xué)生職業(yè)技能時(shí)，利用VR技術(shù)構(gòu)建的平臺(tái)是卓有成效的。因?yàn)樵谔摂M訓(xùn)練系統(tǒng)中，學(xué)員能夠安全地、沒有顧慮地、全身心地、不厭其煩地演練，直至最終熟練地掌握。

（2）虛擬課堂，能使學(xué)生與協(xié)同環(huán)境交互，更利于獲取環(huán)境中蘊(yùn)含的信息

VR技術(shù)可以模擬出想象得到的幾乎所有宏觀和微觀世界，并能真實(shí)逼真地再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界場景，這種虛擬環(huán)境使得學(xué)生能親身體會(huì)并自然交互，其效果要比空洞抽象的說教和平面媒體要好很多。運(yùn)用這個(gè)虛擬世界，學(xué)生可以翱翔浩瀚的太空去學(xué)習(xí)星座星系，可以暢游神秘的海底世界去認(rèn)識(shí)水生動(dòng)植物和水文知識(shí)，可以足不出戶就遠(yuǎn)赴南極接受愛護(hù)環(huán)境的教育，還可以回到古代去學(xué)習(xí)歷史。

（3）虛擬圖書館，當(dāng)虛擬圖書館內(nèi)的書籍被翻閱時(shí)，書中所描述的場景會(huì)呈現(xiàn)在讀者面前。

（4）虛擬校園，訪問者通過網(wǎng)絡(luò)就能進(jìn)入可視化的三維校園,瀏覽其優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源。

實(shí)現(xiàn)虛擬場景，需要構(gòu)建三維虛擬仿真平臺(tái)。平臺(tái)可以模擬真實(shí)場景，使受教育者在自然狀態(tài)下不知不覺地掌握知識(shí)與技能。

2.VR技術(shù)在軍事上的應(yīng)用

在軍事上，最值得一提的是虛擬作戰(zhàn)平臺(tái)。構(gòu)建虛擬作戰(zhàn)平臺(tái)是為了給用戶創(chuàng)造一個(gè)極具真實(shí)感的作戰(zhàn)環(huán)境，讓用戶沉浸其中，以達(dá)到訓(xùn)練思維和啟迪戰(zhàn)法的目的。為此，平臺(tái)上需要事先存儲(chǔ)大量的圖形圖像。鑒于這類系統(tǒng)具有良好的可控性、安全性、無破壞性、費(fèi)用低、不受氣候影響、不受空間和場地限制等特點(diǎn)，已經(jīng)被世界各軍事大國高度重視。各大軍事強(qiáng)國現(xiàn)已開發(fā)出上萬種虛擬作戰(zhàn)平臺(tái),可以模擬各種作戰(zhàn)對(duì)象和作戰(zhàn)規(guī)模，從單兵訓(xùn)練到集團(tuán)軍的決戰(zhàn)。

美國發(fā)動(dòng)伊拉克戰(zhàn)爭之前，已經(jīng)利用虛擬作戰(zhàn)平臺(tái)把各種可能的突發(fā)狀況都模擬了一遍，最終敲定了一套“斬首行動(dòng)”，行動(dòng)結(jié)果證明該方案是可行的。事實(shí)上，美國和西歐與北歐國家近年來一直都在致力于虛擬作戰(zhàn)系統(tǒng)的研制與使用，以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場模擬、指揮官培訓(xùn)、戰(zhàn)事推演和戰(zhàn)術(shù)革新。

3.VR技術(shù)在科研開發(fā)管理上的應(yīng)用

由于VR技術(shù)搭建的平臺(tái)可以使用專用的頭盔與手套自然地、實(shí)時(shí)地傳遞環(huán)境信號(hào)，并能把用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來，使得用戶產(chǎn)生了一種身臨其境的錯(cuò)覺。所以，科研人員在運(yùn)用VR技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的過程中可以發(fā)現(xiàn)原本不易察覺的問題，并能通過修改參數(shù)達(dá)到完善的目的。

VR技術(shù)可以幫助企業(yè)有效地節(jié)省成本，降低真實(shí)實(shí)驗(yàn)的次數(shù)和投入，減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間與設(shè)計(jì)周期。事實(shí)上，由于運(yùn)用該技術(shù)設(shè)計(jì)與建造產(chǎn)品上是如此出色，以至于目前諾思羅普·格魯曼公司正在為美軍設(shè)計(jì)的下一代航母——“吉拉德·R·福特”級(jí)核動(dòng)力航空母艦使用了強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，這將是第一種全程使用計(jì)算機(jī)軟件而非圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)的航空母艦。無獨(dú)有偶，連音公司的波音777運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)過程也全程采用了VR技術(shù)。一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)的時(shí)代已經(jīng)來臨。

文中介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)，并從教育、軍事、科研三個(gè)側(cè)面論證了VR技術(shù)不可小覷的作用。數(shù)字時(shí)代下，社會(huì)的各個(gè)層面都在進(jìn)行著變革，以VR技術(shù)為代表的高新信息技術(shù)在這場變革中將起到?jīng)Q定性的作用。VR技術(shù)涉及到數(shù)學(xué)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等諸多學(xué)科，跨學(xué)科多、集成度高，已經(jīng)成為各國信息技術(shù)水平的分界線之一。與發(fā)達(dá)國家相比，我國的VR技術(shù)起步晚而起點(diǎn)高，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)同步前進(jìn)。相信在國家的重視和科研人員的努力下，我國的VR技術(shù)將成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和人民生活水平提高的新動(dòng)力和打造信息化社會(huì)的引擎之一。

［1］趙維,謝曉方.沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)舒適性研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009,(18):4251-4252.

［2］張雪鵬,陳國華等.基于3D的虛擬運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)及 Virtools功能實(shí)現(xiàn)［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（4）:93-94.

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1673-0046（2010）6-0176-02