周愈晨
摘 要:在計算機功技術(shù)日新月異的今天,資料的輸出、輸入不再是鍵盤、鼠標和顯示器??臻g虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality)簡稱VR,是一種利用三維立體圖形生成、多傳感交互以及立體顯示技術(shù)的集合,使用者通過多種設(shè)備,進入虛擬空間,并操縱場景中的對象進行人機交互??臻g虛擬現(xiàn)實的興起,為人機交互開創(chuàng)了新領(lǐng)域。如建筑,文物保護,醫(yī)學(xué)等方面,將更高層次的虛擬互動世界帶給用戶。
關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實空間技術(shù)人機互動
中圖分類號:TP39 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)07(c)-0021-02
空間虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用計算機三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù),生成逼真的三維虛擬環(huán)境,并通過使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備,或利用鍵盤、鼠標等輸入設(shè)備,便可以進入虛擬空間,使用戶“投入”到該環(huán)境中,實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)。其目的是能讓用戶的自然技能對虛擬世界中的物體進行考察或操作,同時提供視,聽,接觸等,直觀而又自然的感知。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)實習(xí)、建筑設(shè)計、軍事訓(xùn)練、體育訓(xùn)練、娛樂游戲等許多領(lǐng)域。
1 理論背景
空間虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality,簡稱VR)是20世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)。“虛擬現(xiàn)實”一詞是由美國VPL Research Inc公司的J.Lanier在1989年所創(chuàng)造的。它實時的三維空間表現(xiàn)能力,自然的人機交互式操作環(huán)境以及給人帶來的身臨其境感受,將從根本上改變?nèi)伺c計算機之間枯燥,生硬和被動的現(xiàn)狀,為人機交互技術(shù)開創(chuàng)新的研究領(lǐng)域,并為我們創(chuàng)建和體驗虛擬世界提供有力的支持,從而大大推進了計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。
1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的劃分
根據(jù)用戶參與VR的不同形式以及沉浸的程度不同,我們可以把各種類型的虛擬現(xiàn)實技術(shù)劃分四類:(1)桌面級的虛擬現(xiàn)實技術(shù)。(2)投入的虛擬現(xiàn)實技術(shù)。(3)增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實技術(shù)。(4)分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)。
由于受資金或是硬件本身性能限制,系統(tǒng)的計算速度、交互手段可能要受到影響,此時可以從軟件上著手彌補缺陷,產(chǎn)生了許多用于優(yōu)化軟件的技術(shù),例如基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、虛擬仿真等。由于虛擬現(xiàn)實本身并不限制使用的技術(shù)范圍,只要能達到目標,可以把各種技術(shù)有效地集成起來設(shè)計出一個成功的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。
1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的定義
VR技術(shù)的定義可歸納為:由計算機產(chǎn)生的虛擬的環(huán)境,這種環(huán)境是由計算機構(gòu)成的三維空間,或是加入其他現(xiàn)實環(huán)境從而產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”,并通過多種設(shè)備讓用戶“投入”到該環(huán)境中,使用戶在視覺,聽覺,觸覺,味覺等多種感官沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。與傳統(tǒng)的人機交互技術(shù)相比,虛擬現(xiàn)實具有三個最突出的特征:交互性,沉浸感和構(gòu)想性。一個典型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要包括以下五大組成部分:虛擬世界數(shù)據(jù),計算機,虛擬現(xiàn)實軟件,輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。與虛擬世界交互的過程大致是:參與者首先激活頭盔,手套和話筒等輸入設(shè)備為計算機提供信號,虛擬現(xiàn)實軟件收到由跟蹤器和傳感器送來的輸入信號后加以計算,然后對虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫作必要的更新,調(diào)整當前的虛擬環(huán)境場景,并將這一新視點下的三維視覺圖像以及其他(如聲音,觸覺,力反饋等)信息立即傳送給相應(yīng)的輸出設(shè)備(頭盔顯示器,耳機,數(shù)據(jù)手套等),以便參與者及時獲得多種感官上的虛擬效果。
1.3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設(shè)計要達到的目標
第一、要使參與者有“身臨其境”的體驗。這種體驗就是“沉浸式”或“投入式”,即全身心地進入,簡單地說就是產(chǎn)生在虛擬世界中的錯覺。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)達到難以分辯真假的程度,讓不可能成為可能。這種沉浸感的意義在于可以使用戶集中注意力。為了達到這個目標,就必須具有多感知的能力,理想的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)具備人類所具有的一切感知能力,包括視覺、聽覺、觸覺,甚至味覺和嗅覺。
第二、系統(tǒng)要能提供方便的、豐富的、主要是基于自然技能的人機交互手段。實時性是非常重要的,如果在交互時存在較大的延遲,與人的心理經(jīng)驗不一致,就談不上以自然技能的交互,也很難獲得沉浸感。為達到這個目標,高速計算和處理就必不可少。
參與者在虛擬環(huán)境中的活動或者經(jīng)歷有兩種形式,一種是主觀參與(First-person activities)(如圖1),另一種是客觀參與(Second-person activities)(如圖2)。主觀參與時,參與者是整個經(jīng)歷的中心,一切圍繞參與者進行;客觀參與時參與者則可以在虛擬環(huán)境中看到他自己與其它物體的交互。
1.4 軟件與硬件的結(jié)合
虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)就是要利用各種先進的硬件技術(shù)及軟件工具,設(shè)計出合理的硬件、軟件及交互手段,使參與者能交互式地觀察和操縱系統(tǒng)生成的虛擬世界。從概念上講,任何一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)都可以用三個“I”來描述其特性,這就是“沉浸(Immersion)”、“交互(Interaction)”和“想象(Imagination)”。這三個“I”反映了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵特性,就是系統(tǒng)與人的充分交互,它強調(diào)人在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的主導(dǎo)作用。(如圖3)
2 案例
2.1 Quicktime VR在虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用
現(xiàn)在的虛擬現(xiàn)實用戶中使用比較廣泛且方便的就是QuickTime VR,它是美國蘋果公司在QuickTime技術(shù)基礎(chǔ)之上開發(fā)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)。
概括地講是一種基于靜態(tài)圖像處理的,在微機平臺上能夠?qū)崿F(xiàn)的初級虛擬現(xiàn)實技術(shù)。QuickTime VR屬于桌面虛擬現(xiàn)實的一種。雖然它是初級的虛擬現(xiàn)實技術(shù),但是由于QuickTime VR非常易于使用,用戶在使用時不需要特殊的照相設(shè)備,無論是簡單的照相機、專業(yè)級單反相機還是數(shù)字相機都可以滿足需求。
所有的全景照片都可以直接輸入計算機并被轉(zhuǎn)換成QuickTime VR格式。用戶可以手工調(diào)整圖像,并且透明地查看交疊圖像,這一特性為圖像之間的精細調(diào)整提供了便利。(如圖4)如圖為了減少存儲量,QuickTime VR提供了對QuickTime壓縮算法的支持,它可以把QuickTime全景影片通過諸如JPEG等標準壓縮程序壓縮到50K以下。也正是由于這種新的壓縮算法,用戶才能夠看到QuickTime VR導(dǎo)出的mov格式影片。
QuickTime VR提供了非常方便的編輯功能,用戶可以通過簡單的拖放操作,進行快速場景制作瀏覽。由于其容量較小,且是大多數(shù)電腦通用的mov的格式,很方便上傳到互聯(lián)網(wǎng)讓大家觀看,在帶寬是1M的情況下普通的場景只需要大約10秒就可以在線觀看,在作為宣傳道具的功能就得到了很好的體現(xiàn),為虛擬現(xiàn)實大眾化鋪平了道路。(如圖5)
這種簡便、廉價、兼容性高的特性使它得到入門級別虛擬現(xiàn)實所不可替代的地位,它的出現(xiàn)使得以往專業(yè)實驗室中的成本昂貴的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用普及有了廣闊的前景。
QuickTime VR容量上的優(yōu)勢但最終導(dǎo)致了內(nèi)容上的匱乏,雖然QuickTime VR技術(shù)使參與者可以自己控制體驗的進程和順序,但是參與者不能與所參與的場景或物品進行互動,這樣就缺失了重要的趣味性,雖然豐富的畫面但卻一成不變的場景,無法感知的過去和將來失去了時間的意義,失去了與場景在同一空間的感覺,讓人很難真正投身其中,而且QuickTime VR的使用者始終只能用一個視角參觀產(chǎn)生視覺疲勞,從而失去對這個作品的興趣。
3 結(jié)語
正如其它新興學(xué)科技術(shù)一樣,虛擬現(xiàn)實技術(shù)也是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。在教育方面可以讓青少年更加了解祖國文化的博大精深,讓他們重新建立起對中國古代文化的興趣,真正做到從多個方面觀賞國畫。
空間虛擬現(xiàn)實的發(fā)展在,小區(qū)導(dǎo)航,建筑游覽,博物館游覽等系統(tǒng)都已經(jīng)發(fā)展,當然這些都是實物虛擬的作品,空間虛擬現(xiàn)實將來在平面作品上也將大有作為,在不久的將來,空間虛擬現(xiàn)實應(yīng)該無所不在,可以讓人到達所有向往的地方。
虛擬現(xiàn)實可以實現(xiàn)文化遺產(chǎn)的繼承和重現(xiàn),不僅能復(fù)制現(xiàn)存的東西,還能將僅存在人們記憶或者記載中的寶貴財富具象的展現(xiàn)給大家,既保護了文物,又讓人們跨越時空,欣賞到稀世珍寶。對于考古研究,文物保護、復(fù)原,都具有不可小覷的作用。
現(xiàn)在的虛擬現(xiàn)實雖然已經(jīng)趨于成熟,很多展示方式也已經(jīng)趨于完美,但是所有的展示技術(shù)的基礎(chǔ),來自各種領(lǐng)域的研究與應(yīng)用勢必不斷的推陳出新。仍舊停留在將圖像投向視網(wǎng)膜上,或者用復(fù)雜的機械運作來模擬手指的觸感,或許將來的虛擬現(xiàn)實技術(shù)能使使用者躺在沙發(fā)上,閉著眼睛也可以看到自己的故鄉(xiāng),曾經(jīng)的風(fēng)景,而且還能聞到故鄉(xiāng)的味道,觸摸得到故鄉(xiāng)的一草一木。
當然,任何一種新技術(shù)的推廣與應(yīng)用,一方面要靠研究團隊的不斷努力、發(fā)展和完善該項技術(shù),另一方面則就需要廣大的使用者能更新他們的思想,積極接受,引入新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實作為一門新興的科學(xué),目前也尚有諸多因素限制它的廣泛應(yīng)用但我們可以肯定地說,VR技術(shù)將會是繼多媒體,計算機網(wǎng)絡(luò)之后,成為最具有應(yīng)用前景的“明星”技術(shù),它將使21世紀的媒體發(fā)生質(zhì)的變化。它的“沉浸性”,“交互性”與“構(gòu)想性”,不但非常有利于人們構(gòu)建一種全新,多變的環(huán)境和手段,而且為學(xué)習(xí)者提供了一種可以進行交互,直觀,自主探索的學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)方法,從而激發(fā)學(xué)習(xí)積極性,在多方面提高媒體的質(zhì)量和效果。同時,在Web站點上,虛擬授課,虛擬汽車工程,虛擬校園,虛擬戰(zhàn)場等形式也將不可避免地出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中,并以它們接近真實并高于真實的優(yōu)勢,在未來多媒體的領(lǐng)域中占有一席之地。因此,我們應(yīng)該盡快認識到虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用價值,嘗試在各個領(lǐng)域開發(fā)它,使用它。我們期待這有朝一日,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)成為一種對多維信息處理的強大系統(tǒng),成為人進行思維和創(chuàng)造的助手和對人們已有的概念進行深化和獲取新概念的有力工具。
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