帥立國

【摘要】虛擬現(xiàn)實(shí)是當(dāng)前的前沿和熱點(diǎn)。本文闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)的概念、發(fā)展歷程、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)及部分關(guān)鍵技術(shù)，并對虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、介導(dǎo)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)等概念的內(nèi)涵進(jìn)行了溯源和詮釋。虛擬現(xiàn)實(shí)在內(nèi)涵上既有交集又各有特異性，難以簡單地用包含或被包含關(guān)系去進(jìn)行描述。觸覺技術(shù)對于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互性具有重要價值，在闡述虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，論文進(jìn)一步介紹了觸覺交互涉及的觸覺傳感和觸覺顯示技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品。論文最后討論了制約虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的一些關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí) 觸覺交互 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) 介導(dǎo)現(xiàn)實(shí) 混合現(xiàn)實(shí)

【中圖分類號】 TP24 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2016.24.005

虛擬現(xiàn)實(shí)是以視覺表達(dá)為主體的一種藝術(shù)表現(xiàn)形式。視覺藝術(shù)在人類歷史進(jìn)程中發(fā)揮著重要的作用，古老的壁畫、西漢的皮影，以及近現(xiàn)代的影視藝術(shù)等，無一不是社會歷史階段經(jīng)濟(jì)生活及科技水平的寫照，承載著人類文明的精華。藝術(shù)源于生活而高于生活，它們既記錄了社會生活的方方面面，也寄托了人們對美好生活和未來的憧憬，既可以生動地展現(xiàn)故事情節(jié)，又能夠?yàn)槿藗儙硪曈X觀感的享受。虛擬現(xiàn)實(shí)是一種可以讓人們體驗(yàn)虛擬空間并與之交互的三維環(huán)境模擬系統(tǒng)，是視覺表達(dá)最為完美的藝術(shù)表現(xiàn)形式，具有很強(qiáng)的沉浸感，可以帶來夢幻般的多感官體驗(yàn)。

什么是虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)對應(yīng)的英文關(guān)鍵詞是virtual reality，意指虛擬的現(xiàn)實(shí)，可以理解為計算機(jī)再現(xiàn)的“現(xiàn)實(shí)”。虛擬現(xiàn)實(shí)有兩層含義，第一它是“現(xiàn)實(shí)”，是真實(shí)的；第二它是虛擬的，既可以是假的“現(xiàn)實(shí)”，可以是數(shù)字化的“現(xiàn)實(shí)”，也可以是計算機(jī)構(gòu)造的“現(xiàn)實(shí)”，這個假的“現(xiàn)實(shí)”所依賴的平臺是一個由計算機(jī)模擬生成的三維的虛擬空間，這個空間可以提供視覺、聽覺、觸覺、味覺及嗅覺等感官的全方位的模擬，可以讓使用者如同置身于一個完全真實(shí)的三維環(huán)境中，可以及時、無限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。

多感知性、沉浸性、交互性和構(gòu)想性被認(rèn)為是虛擬現(xiàn)實(shí)最為顯著的幾個典型特征。所謂多感知性是指置身虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的主體除可以通過視覺觀察三維空間外，至少還應(yīng)該能夠通過聽覺、觸覺、味覺或嗅覺中的一種或幾種感知三維空間中的事物，并與之交互。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)該具備人類所具有的一切感知功能，但受技術(shù)限制，目前虛擬現(xiàn)實(shí)能夠提供的感知功能極為有限。通常情況下，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都會提供視覺和聽覺感知，而其他感覺功能則相對少見。隨著觸覺顯示技術(shù)的進(jìn)步，近年來已出現(xiàn)為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供觸覺感知功能的觸覺手套和力反饋裝置，預(yù)計未來的3～5年內(nèi)，觸覺功能很可能會和視覺和聽覺功能一樣成為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本配置。嗅覺和味覺的技術(shù)發(fā)展相對滯后，由于涉及到人體感官的化學(xué)反應(yīng)，且主要為氣體和液體刺激，嗅覺和味覺技術(shù)突破的難度較大，除個別特例外，難以被廣泛應(yīng)用。

沉浸性又稱為臨場感，強(qiáng)調(diào)用戶體驗(yàn)的真實(shí)性，置身于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的主體，所感所知應(yīng)和現(xiàn)實(shí)世界中的體驗(yàn)近乎一致，難以分辨真假，虛擬環(huán)境中的事物不僅視覺真實(shí)，聽覺和觸覺也是真實(shí)的，甚至嗅覺和味覺的體驗(yàn)也和現(xiàn)實(shí)世界一致。

交互性強(qiáng)調(diào)虛擬環(huán)境中事物的可操作性，以及操作過程中交互的實(shí)時性和自然程度。例如，用戶用手直接抓取模擬環(huán)境中的虛擬物體時，手應(yīng)有觸碰到物體的感覺，進(jìn)一步地，當(dāng)用戶抓住虛擬物體后，應(yīng)能夠感覺到物體的重量，被抓的物體還能夠隨著手的移動而移動。

構(gòu)想性強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類的認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的對象甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。

以上是虛擬現(xiàn)實(shí)比較典型的幾個特征，隨著AR和MR的到來，虛擬現(xiàn)實(shí)的特征可能會有所調(diào)整和擴(kuò)展。虛擬現(xiàn)實(shí)是融合了視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等諸多感官的輸入和輸出的可交互系統(tǒng)，將能夠帶給人們?nèi)娴纳砼R其境的感覺。

虛擬現(xiàn)實(shí)簡史

虛擬現(xiàn)實(shí)是一個逐漸形成的概念，其技術(shù)方法由遠(yuǎn)及近是一個不斷進(jìn)步、并在內(nèi)涵上不斷調(diào)整和豐富的過程。人類的社會活動中很早就出現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)的萌芽。始于十九世紀(jì)的全景壁畫應(yīng)該是最早的虛擬現(xiàn)實(shí)，它可以覆蓋觀眾的全部視野，使其感到正在親臨某個歷史事件或者場景。1838年，Charles Wheatstone發(fā)現(xiàn)人類大腦對三維對象的感知是通過兩只眼睛獲取的兩個二維圖像合成得到的，進(jìn)一步的研究表明，通過發(fā)明的體視鏡觀看兩個并排的圖片，可以讓大腦獲得關(guān)于圖片對象的深度感和沉浸感。該方法沿用至今，是谷歌紙盒和當(dāng)前低成本虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器的技術(shù)基礎(chǔ)。

1929年，Edward Link發(fā)明了可能是最早商業(yè)化的飛行模擬器“Link教練機(jī)”（專利1931）。上世紀(jì)30年代，科幻作家Stanley G.Weinbaum出版了第一本探討虛擬現(xiàn)實(shí)的科幻小說“Pygmalion的眼鏡”。1956年，攝影師Morton Heilig發(fā)明了包含全部感官刺激的街機(jī)劇院Sensorama（專利1962），該街機(jī)包含3D顯示器、立體揚(yáng)聲器、振動椅、氣味發(fā)生器和風(fēng)扇。除街機(jī)劇院外，1960年，Morton Heilig還發(fā)明了稱為Telesphere Mask（專利1960）的頭部顯示器，這是最早的頭盔顯示器（HMD），雖然當(dāng)時尚無運(yùn)動跟蹤，但該頭盔集合了視覺、聲音、動作和氣味等多種感知技術(shù)。

1961年，Philco公司的科莫和布萊恩開發(fā)了首個帶有運(yùn)動跟蹤的HMD原型樣機(jī)。該樣機(jī)整合了一個磁運(yùn)動跟蹤系統(tǒng)，并為每只眼睛配置了連接到閉路攝像機(jī)的視頻顯示器。1965年，Ivan Sutherland首次提出了“終極顯示”的概念，即通過技術(shù)手段模擬真假難辨的“現(xiàn)實(shí)”?！敖K極顯示”基于一個包括運(yùn)動追蹤、觸覺反饋、語音識別，甚至全息技術(shù)的頭戴式顯示器，并利用計算機(jī)技術(shù)構(gòu)造了實(shí)時的虛擬世界，籍此實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬世界中的物體的交互。Ivan Sutherland認(rèn)為計算機(jī)屏幕并不只是顯示信息的方式，而是一個通向虛擬世界的窗口，最終可實(shí)現(xiàn)在視覺、聽覺、觸覺以及移動和交互方面的真實(shí)感覺。

1966年，GAF三維魔景機(jī)Viewmaster問世，其內(nèi)置的立體鏡可將同一場景的兩個具有視差的圖像合成為一個三維圖像。

1968年，Ivan Sutherland和他的學(xué)生Bob Sproull創(chuàng)造了第一個與電腦（不是攝像機(jī)）相連的頭戴顯示器Sword of Damocles（達(dá)摩克利斯之劍），該發(fā)明具有里程碑意義，是人類歷史上首個計算機(jī)圖形驅(qū)動系統(tǒng)。

1969年，藝術(shù)家Myron Kruegere創(chuàng)作了一系列稱為“人工現(xiàn)實(shí)”的互動藝術(shù)作品。他的研究工作最終導(dǎo)致了VIDEO PLACE的發(fā)展，該技術(shù)可以使相隔幾英里遠(yuǎn)的人們體驗(yàn)到計算機(jī)生成的環(huán)境并相互交流。

1980年，可穿戴設(shè)備之父Steve Mann，發(fā)明了一個笨拙的可與頭盔相連的背包式計算機(jī)Eye Tap，它利用分束器將場景同時發(fā)送給用戶以及與計算機(jī)相連的攝像頭，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時融合。Steve Mann后來對Eye Tap進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了小型化。

1984，Jaron Lanier的公司設(shè)計了RB2第一個商業(yè)化VR控制系統(tǒng)，配有數(shù)據(jù)手套，允許用戶對在頭盔中顯示的虛擬對象進(jìn)行“twist and turn”操作，但整個系統(tǒng)的費(fèi)用高達(dá)50000美元或更多。

1987年，可視化編程實(shí)驗(yàn)室（VPL）的創(chuàng)始人Jaron Lanier創(chuàng)造了“虛擬現(xiàn)實(shí)”術(shù)語。VPL公司是第一家售賣虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡的公司，先后開發(fā)了數(shù)據(jù)手套和EyePhone頭顯等一系列虛擬現(xiàn)實(shí)裝置。

1991年，虛擬世界組織發(fā)行了一系列游戲和機(jī)器。游戲者穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡后可以身臨其境地在游戲機(jī)的3D環(huán)境中游戲，系統(tǒng)遲滯少于50毫秒，并可通過網(wǎng)絡(luò)將多個單元聯(lián)接在一起實(shí)現(xiàn)多人游戲。

1992年，第一部建立在虛擬空間的影片The Lawnmower Man（割草者）問世，該影片實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)概念的普及。電影中使用了VPL研究實(shí)驗(yàn)室的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。

1993年，Sega在消費(fèi)電子展上發(fā)布了全景眼鏡及四款游戲。全景眼鏡為環(huán)繞式，帽舌部位配置了液晶顯示屏并具有頭部跟蹤和立體聲。市場反應(yīng)平靜，由于體驗(yàn)過于真實(shí)，游戲玩家可能傷害自己，該項(xiàng)目最終被封存。

1999年，Wachowski siblings的電影黑客帝國（The Matrix）熱映，帶來了很強(qiáng)的文化沖擊，使得模擬現(xiàn)實(shí)成為焦點(diǎn)。

2009年，Kickstarter眾籌網(wǎng)站平臺推出，Oculus VR創(chuàng)始人Palmer Luckey成功地通過該平臺從10000名支持者那里籌集了近250萬美元，成為典型的眾籌成功故事之一。Oculus Rift具有兩個目鏡，并具有陀螺儀控制的視角，游戲沉浸感大幅提升，Oculus Rift可以通過DVI、HDMI、micro USB接口連接電腦或游戲機(jī)，并推出了配套的開發(fā)工具包。

近年來，通信技術(shù)的進(jìn)步極大地改善了網(wǎng)絡(luò)條件，也引發(fā)了移動互聯(lián)設(shè)備（MID，Mobile Internet Device）特別是手機(jī)終端的極度繁榮，作為MID終端的高端手機(jī)基本具備了展示虛擬現(xiàn)實(shí)場景的硬件條件和軟件能力。2013年，以O(shè)culus Rift為代表，基于手機(jī)平臺的虛擬頭戴式顯示器開始風(fēng)靡全球，而Google則更是推出了基于個人手機(jī)的Card Board紙盒版VR眼鏡，為VR普及做出了重大貢獻(xiàn)。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)深入人心，各類VR發(fā)明正如雨后春筍般地被創(chuàng)造出來，相關(guān)公司和產(chǎn)品也正以燎原之勢在全國各地興起。

虛擬現(xiàn)實(shí)類別（VR、AR、MR）

從發(fā)展歷程來看，虛擬現(xiàn)實(shí)先后經(jīng)歷了數(shù)字化現(xiàn)實(shí)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)再到混合現(xiàn)實(shí)三個重要階段。這三個階段相互交錯，發(fā)展進(jìn)程中涉及到的概念主要包括Virtual Reality（VR，狹義的“虛擬現(xiàn)實(shí)”），Augmented Reality（AR，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)），Mediated Reality（MR，介導(dǎo)現(xiàn)實(shí)）和Mixed Reality（MixR，混合現(xiàn)實(shí)）等。1994年，計算機(jī)圖形學(xué)之父Steve Mann在“Mediated Reality”①文章中首次提出了“Mediated Reality-MR”概念，并以圖示方式對VR，AR和MR的內(nèi)涵和相互關(guān)系進(jìn)行了描述，如圖1所示。

圖1中，user前方的弧形是an ideal light space glass，它是一個能夠感知光信號并據(jù)此轉(zhuǎn)導(dǎo)發(fā)射光線的眼鏡，比如由攝像頭和顯示器組合而成的眼鏡等，可以實(shí)時地獲取光學(xué)影像，并將其通過攝像頭呈現(xiàn)給user，某種意義上，人們佩戴的近視眼鏡也可以算是ideal light space glass。這里，ideal light space glass充當(dāng)著將real objects顯示給user的媒介（介質(zhì)），其作用相當(dāng)于影像轉(zhuǎn)導(dǎo)。圖1中，現(xiàn)實(shí)世界中的real objects有三種方式被user“看”到，左側(cè)Virtual Reality圖中，ideal light space glass將real objects直接成像并呈現(xiàn)給user；右側(cè)Mediated Reality圖中，ideal light space glass并沒有將real objects直接成像呈現(xiàn)給user，而是在獲取real objects影像并經(jīng)過一定的處理后再呈現(xiàn)給user（圖中為左右翻轉(zhuǎn)處理）；中間Augment Reality圖中，user同時看到了兩幅影像，一個是直接來自real objects的影像，另一個是來自ideal light space glass的影像，這時，ideal light space glass不僅要能夠呈現(xiàn)影像給user，還應(yīng)該具備讓user穿透并看到real objects的能力，典型的案例如運(yùn)用在航空器上充當(dāng)飛行輔助儀器的擋風(fēng)玻璃（up-head displayer抬頭/平視顯示器），飛行員透過玻璃觀察艙外景物時，可以同時看到疊加在外景上的字符、圖像等信息。投射焦距位于玻璃前方，飛行員幾乎不用調(diào)整焦距即可隨時察看飛行參數(shù)。

由Steve Mann的描述可以看出，VR和MR都是介質(zhì)轉(zhuǎn)導(dǎo)的影像，不同之處在于，VR中間介質(zhì)對影像不做處理，所顯示的“現(xiàn)實(shí)”是real objects的再現(xiàn)，不過隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前VR中的“現(xiàn)實(shí)”也可以是計算機(jī)構(gòu)造的現(xiàn)實(shí)，但無論哪種方式，其“現(xiàn)實(shí)”必須具有高度的真實(shí)性；MR中，中間介質(zhì)所轉(zhuǎn)導(dǎo)的“現(xiàn)實(shí)”可以是real objects的再現(xiàn)，也可以不是，但應(yīng)該包含real objects的部分或全部要素，是基于real objects的“現(xiàn)實(shí)”，由此可見，早期出現(xiàn)的VR實(shí)際上只是MR的一個特例。而AR則是既有介質(zhì)轉(zhuǎn)導(dǎo)的影像，又有實(shí)際real objects的影像，是兩者的疊加。AR最早于1993年提出②，其技術(shù)方法是在所采集的真實(shí)世界的三維影像的基礎(chǔ)上，通過圖像技術(shù)在三維空間中疊加（去除）虛擬對象或者虛擬環(huán)境，從而營造一種特別的視覺效果，2016年7月推出的PokeMon Go游戲就因其有趣的風(fēng)格和獨(dú)特的視覺效果而迅速風(fēng)靡全球。AR是真實(shí)世界和虛擬世界的集成，并具有較好的交互性，可廣泛應(yīng)用于教育、影視、娛樂等領(lǐng)域。

除Steve Mann所描述的VR、AR和MR外，近年來還出現(xiàn)了一種混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality）的虛擬現(xiàn)實(shí)概念，由于Mediated Reality被稱為MR，為避免歧義，Mixed Reality可稱為MixR。混合現(xiàn)實(shí)是虛擬空間和真實(shí)空間的完美融合，亦虛亦實(shí)，亦幻亦真。

混合現(xiàn)實(shí)是同時包含真實(shí)世界和虛擬世界中的對象或環(huán)境的現(xiàn)實(shí)，是真假難分的虛擬“現(xiàn)實(shí)”，包括將虛擬對象投射到真實(shí)環(huán)境當(dāng)中的混合現(xiàn)實(shí)RMR（Real MixR），以及將真實(shí)對象或環(huán)境數(shù)字化后與虛擬對象或環(huán)境融合形成的數(shù)字化混合現(xiàn)實(shí)VMR（Virtual MR）。RMR模式中，“虛擬”真實(shí)地“存在”著，可以營造一種真實(shí)的“虛幻”，MixR所依賴的不是依附于人眼的3D眼鏡和頭戴式顯示器等裝備，而是環(huán)境投射設(shè)備，代表了虛擬現(xiàn)實(shí)的最高水平，是虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的最高境界。

圖2以圖例的方式表示出了虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)概念之間的相互關(guān)系。

虛擬現(xiàn)實(shí)的相關(guān)概念在內(nèi)涵上存在一定的差異，他們之間很難簡單地用包含的方法去描述。簡單地說，MR強(qiáng)調(diào)所看到的是介質(zhì)轉(zhuǎn)導(dǎo)的影像，VR中所看到的是逼真的假象，AR有真有假，但可以分清真假，而MixR中有真有假，但真假難辨。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

一個完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要包括軟件、硬件平臺、傳感輸入、顯示輸出等幾個部分。其中，軟件和硬件平臺是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心和控制中樞，它能夠把視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺所涉及的輸入輸出數(shù)據(jù)和控制指令等整合在一起構(gòu)成一個有機(jī)的整體，實(shí)時地響應(yīng)來自操作者的外部輸入，并控制外設(shè)及時地調(diào)整輸出以作用于操作者的感官，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)完美的人際交互。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖中，用于感知現(xiàn)實(shí)世界中的對象和環(huán)境的傳感器主要包括視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺傳感器，和用于環(huán)境監(jiān)測和虛擬交互的傳感器如溫度、濕度傳感器以及位置傳感器等，相應(yīng)地，在虛擬環(huán)境中，也存在和五官相對應(yīng)的各種類型的顯示器如視覺顯示器、聽覺顯示器、觸覺顯示器、味覺顯示器和嗅覺顯示器，用于環(huán)境調(diào)節(jié)的溫度調(diào)節(jié)器、濕度調(diào)節(jié)器以及其他各類控制器等。操作者沉浸于虛擬視覺的故事情節(jié)中時，可能會存在位置移動、姿態(tài)改變、動作抓取等行為，這些動作發(fā)生后，會影響現(xiàn)實(shí)中相應(yīng)傳感器的輸出，系統(tǒng)監(jiān)測到傳感器信號的改變后，將實(shí)時地調(diào)整輸出控制信號，以使得操作者所感知的影像、聲音、力感、味覺和嗅覺等隨之調(diào)整和改變，如此往復(fù)，直至操作者完成或中止虛擬空間的體驗(yàn)。

常用的與視覺輸入相關(guān)的傳感器主要包括影像、數(shù)據(jù)和控制三類，其中，影像類的傳感器主要為用于3D拍攝的圖像傳感器，數(shù)據(jù)類的傳感器為用于幾何體建模的3D掃描器（包括機(jī)械、光學(xué)和激光），控制類的傳感器包括用于獲取絕對坐標(biāo)的位置跟蹤器和用于獲取相對坐標(biāo)的數(shù)據(jù)手套，指令類的傳感器主要包括形態(tài)識別作為控制指令的動作捕捉系統(tǒng)，眼球動作作為控制指令的眼動儀。

聽覺輸入的傳感器主要為立體聲話筒和麥克風(fēng)等，目的在于采集聲音數(shù)據(jù)，并確定音源的空間位置信息。

觸覺輸入的傳感器主要為用于接觸覺判斷的視覺傳感器、接觸傳感器和滑覺傳感器等，以及用于運(yùn)動交互時能夠給出力的大小和方向等矢量信息的力覺傳感器。

味覺輸入相關(guān)的傳感器主要為化學(xué)傳感器，味覺輸入也可以通過目標(biāo)識別，再由專家系統(tǒng)生成與目標(biāo)幾何形態(tài)對應(yīng)的味覺地圖的方式實(shí)現(xiàn)。

嗅覺輸入相關(guān)的傳感器主要為化學(xué)傳感器，當(dāng)氣味源頭的空間位置信息以及散發(fā)氣味的物體明確時，氣味相關(guān)的嗅覺輸入也可由專家系統(tǒng)給出，當(dāng)氣味源頭不明時，嗅覺輸入只能通過分布式氣體傳感器采集。

在輸出方面，視覺影像的輸出主要包括穿戴類的3D眼鏡和數(shù)字頭盔顯示器，以及可裸眼觀看的立體顯示器和立體投影機(jī)等。特別要說的是，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸出在特定的應(yīng)用中也可通過3D打印機(jī)以實(shí)物的形式輸出。

觸覺顯示方面，其輸出方式主要包括以觸感輸出為特征的觸覺手套及相關(guān)的接觸覺顯示器，以力感和運(yùn)動覺輸出為特征的力反饋裝置，如Delta和Phantom等，這方面可市售的產(chǎn)品較多，但價格大多非常昂貴。

聽覺顯示相關(guān)的設(shè)備主要為各類聲音輸出裝置，如音箱和立體聲耳機(jī)等。人耳對聲音的感知是一個非常復(fù)雜的過程，不僅涉及到耳蝸，還涉及外耳、耳骨和耳毛等。頭顯的耳機(jī)通常是把聲波直接傳送至中耳，其音源3D重現(xiàn)的技術(shù)難度較大。

味覺相關(guān)的輸出設(shè)備為與虛擬物體對應(yīng)的“味覺變形體”，能夠動態(tài)調(diào)整其幾何形態(tài)使其與虛擬物體一致，并能夠?qū)Ω魑恢锰幍乃崽鹂嗬毕痰任队X特征進(jìn)行調(diào)整和改變。

嗅覺相關(guān)的輸出設(shè)備為分布式氣味發(fā)生器。味覺和嗅覺輸出設(shè)備是全真虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，目前尚無成熟的技術(shù)方案。

除分離式輸入輸出方式外，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中還存在一些融合了輸入、輸出和控制系統(tǒng)及軟件的一體機(jī)，如Smart眼鏡、立體視頻眼鏡和3D手機(jī)等，實(shí)際上，普通的近視眼鏡也可以看作是一個輸入輸出設(shè)備，只是普通眼鏡中并無控制系統(tǒng)和軟件。

完美的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)只有軟硬件系統(tǒng)平臺是不夠的，在應(yīng)用層面，當(dāng)前領(lǐng)域內(nèi)面臨的最大困難可能在內(nèi)容方面，再好的設(shè)備，如果沒有精彩的故事情節(jié)去演繹和詮釋，只是一個毫無生氣的冰冷的裝置。美好的故事可以賦予虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以靈魂，這方面有賴文學(xué)作家和影視創(chuàng)作者的關(guān)注和介入。

頭顯vs裸眼

人類的兩只眼睛位于面部不同位置，兩只眼睛所看到的畫面是不同的，這導(dǎo)致了“平行視差”③的產(chǎn)生，這兩個具有“平行視差”的畫面經(jīng)大腦解析后可以形成具有三維感的立體空間。

虛擬現(xiàn)實(shí)中，為了讓人眼能看到虛擬的三維空間，人們需要通過技術(shù)手段使得兩只眼睛所觀看到的影像也具有一定的“平行視差”才行，這樣的技術(shù)手段主要為3D眼鏡和3D頭盔顯示器及裸眼3D顯示技術(shù)。

現(xiàn)有的3D眼鏡主要用于觀看顯示器所播放的3D影像，其類型主要包括色差式3D、青紅色3D、偏光式3D、快門式3D、不閃式3D等，頭戴式3D顯示器與3D眼鏡的不同在于它將眼鏡和顯示器集成為一個整體，并配置有空間跟蹤定位器以及時調(diào)整視場輸出從而營造具有真實(shí)立體感的虛擬空間，沉浸感極強(qiáng)。頭戴式3D顯示器由于封裝在較小的空間中，所以多采用左右眼視場分離的左右格式顯示方法，如Oculus rift、Gear VR、3Glasses、HMZ-T、HTC Vive、暴風(fēng)魔鏡等，除左右格式顯示方法外，近年來還發(fā)展了一種視網(wǎng)膜投影技術(shù)，該技術(shù)主要包括兩種方式，一是將影像直接投射到視網(wǎng)膜上，二是將光線投射到視網(wǎng)膜上，并通過掃描方式形成影像，代表性產(chǎn)品主要包括Magic Leap、Glyph、Brother等；此外，微軟2015年還推出了基于全息方法的Hololens頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器，成功地將虛擬和現(xiàn)實(shí)融合在一起，Hololens的鏡片是透明的，戴上之后可以看到外部的世界，但是這個透明的鏡片還是一個顯示器，能夠在看到的真實(shí)世界上疊加3D動畫，從而產(chǎn)生一種虛實(shí)結(jié)合的效果。除3D顯示外，3D眼鏡和3D頭戴式顯示器通常還會配置兩類傳感器，一是用于感測環(huán)境的環(huán)境感測系統(tǒng)，可用來感測靜態(tài)對象、動態(tài)對象、人和照明、大氣等外部環(huán)境；二是用于感測用戶動作和意圖的用戶感測系統(tǒng)，包括語音、手勢、紅外感測、陀螺儀以及相機(jī)等，以優(yōu)化用戶體驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)交互。3D眼鏡和頭戴顯示器雖然普及率較高，并在3D影院和游戲娛樂領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，仍存在以下幾個方面的不足：1）眼鏡或顯示器需要隨身攜帶，不方便；2）3D頭戴式顯示器較重，不舒服；3）眩光，容易視覺疲勞；4）單人視場獨(dú)占模式，難以互動娛樂；5）難以與真實(shí)空間交互；6）難以規(guī)避來自真實(shí)空間的障礙物和意外等風(fēng)險。

裸眼3D是當(dāng)前國內(nèi)外的前沿和研究熱點(diǎn)，其獨(dú)特的視覺效果極大地激發(fā)了人們的研究熱情。早在1985年，德國科學(xué)家Reinhard Boerner在海因里希赫茲研究所（Heinrich Hertz Institute，HHI）即通過透鏡創(chuàng)建了自由立體顯示④，在1990年，HHI開發(fā)出了支持單人觀看的立體原型機(jī)，英國Reality Vision公司很早就提出了全息自由立體顯示的概念，2009年，美國PureDepth公司研究開發(fā)了多層顯示技術(shù)（Multi-Layer Display， MLD），多層LCD排列可分別顯示前景與后景，形成前后深度感，Magic Leap公司則研究了采用光纖向視網(wǎng)膜投射四維數(shù)字光場并輔之以定位跟蹤的裸眼3D技術(shù)，Magic Leap技術(shù)上可行，并已獲得大額資金資助，其中來自Google等公司的資金甚至高達(dá)5.42億美元。

能夠?qū)崿F(xiàn)裸眼3D顯示的技術(shù)包括狹縫式液晶光柵、光屏障式3D技術(shù)、柱狀透鏡技術(shù)、指向光源技術(shù)以及多層顯示技術(shù)等⑤⑥⑦⑧。其中，狹縫式液晶光柵技術(shù)在屏幕前設(shè)置了一個狹縫式光柵，應(yīng)該由左眼看到的圖像顯示在液晶屏上時，不透明的條紋會遮擋右眼，同理，應(yīng)該由右眼看到的圖像顯示在液晶屏上時，不透明的條紋會遮擋左眼，從而通過將左眼和右眼的可視畫面分開以實(shí)現(xiàn)3D顯示；光屏障式3D技術(shù)與之類似，該技術(shù)通過使用開關(guān)液晶屏+偏振膜+高分子液晶層來形成一個90度角的垂直條紋系列，從而達(dá)到正面視覺上的立體3D效果；柱狀透鏡技術(shù)則是采用類似水面折射的原理來實(shí)現(xiàn)3D顯示；指向光源技術(shù)屬于時分裸眼3D技術(shù)，是將圖像以奇偶幀交錯排序方式，分別反射給左右眼，形成左右眼的視差，從而實(shí)現(xiàn)3D顯示；多層顯示技術(shù)通過一定間隔重疊的兩塊液晶面板實(shí)現(xiàn)3D顯示，與柱狀透鏡技術(shù)相比，該技術(shù)不會導(dǎo)致眩暈、頭疼及眼睛疲勞，可組合顯示文字，可視角度大，具有一定優(yōu)越性。除上述技術(shù)外，與裸眼3D相關(guān)的技術(shù)還包括：1）四面錐全息投影方法⑨；2）將空氣分子選擇性電離的激光等離子體發(fā)射（Laser plasma emission）方法⑩；3）借助水幕、霧幕和水蒸氣幕并依賴投影技術(shù)的裸眼3D方法，如Helio display空氣成像技術(shù)?，該技術(shù)包括一臺投影機(jī)和一個空氣屏幕系統(tǒng)，空氣屏幕系統(tǒng)可以制造出由水蒸氣形成的霧墻，當(dāng)采用背投技術(shù)將影像投映至霧墻上時，觀看者看到的將會是漂浮在空氣中的影像，這些影像雖然是二維平面圖像，但由于空氣墻分子的不均衡運(yùn)動，可呈現(xiàn)類似3D圖像的質(zhì)感，該技術(shù)已有市售產(chǎn)品，但價格昂貴，單臺約18000美元；4）2016年Kino-mo公司在CES展覽上展示的采用高速旋轉(zhuǎn)的LED葉片形成空間三維影像的方法等。

裸眼3D擺脫了佩戴器具的束縛，仍存在一定的局限性。裸眼3D顯示的市場空間巨大，該技術(shù)除應(yīng)用于娛樂、影視等領(lǐng)域外，還可廣泛應(yīng)用于科研、航空、醫(yī)學(xué)、文物展示、旅游健身、地產(chǎn)展示、軍事模擬等領(lǐng)域，如美軍開發(fā)的空軍任務(wù)支援系統(tǒng)和海軍特種作戰(zhàn)部隊計劃和演習(xí)系統(tǒng)、虛擬博物館，以及被廣泛應(yīng)用在賣場和交通樞紐等場所的裸眼3D廣告機(jī)等。

日本對3D顯示產(chǎn)業(yè)非常重視，于2003年先后成立了以電視廠商為主的3D Consortium、HODIC、TAO以及3D Business Promotion Consortium等組織，并聯(lián)合200多家公司共同研發(fā)3D顯示技術(shù)和產(chǎn)品；韓國也制定了宏偉的3D技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，于2015年實(shí)現(xiàn)了裸眼3D TV商用化，并計劃于2020年開發(fā)出全息顯示產(chǎn)品；美國繼2005～2007年實(shí)施了基于觸覺和裸眼3D技術(shù)的數(shù)字虛擬人計劃后，NASA于2014年啟動了由Joseph Grant領(lǐng)導(dǎo)的為期3年的以提升商用飛行器安全為目標(biāo)的高精度裸眼3D飛行座艙項(xiàng)目，預(yù)計2016年底可完成原型樣機(jī)。NASA預(yù)測，除飛行領(lǐng)域外，醫(yī)療3D可視化方面的需求每年可達(dá)20億美元，游戲和家居方面則可能更高。

我國政府對3D顯示技術(shù)的發(fā)展極為重視。2015年11月10日，國家主席習(xí)近平到英國帝國理工學(xué)院訪問時，特地試戴體驗(yàn)了3D眼鏡；李克強(qiáng)總理多次明確要求加大對虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)的投入。此外，企業(yè)界對虛擬現(xiàn)實(shí)的投資熱情近年來也是日漸高漲，目前國內(nèi)80%以上的大公司均已直接或間接地涉足3D顯示領(lǐng)域，如華為、中興通訊、樂視科技、網(wǎng)易、TCL、淘寶、迅雷等。

虛擬現(xiàn)實(shí)中的觸覺交互技術(shù)

觸覺交互對于虛擬現(xiàn)實(shí)具有重要意義。人類的好奇心決定了人們在看到物體的同時天生就有一種想摸一摸的沖動，此外，觸覺交互還可以幫助人們在體驗(yàn)虛擬空間時與虛擬對象進(jìn)行實(shí)時的互動，以獲得逼真的體驗(yàn)，從而高質(zhì)量地完成培訓(xùn)或操作控制。觸覺交互在技術(shù)層面主要涉及觸覺傳感和觸覺顯示兩個方面。

觸覺傳感技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)中，操作主體與虛擬對象或環(huán)境進(jìn)行交互所涉及的傳感可以分為二類，一是虛擬傳感器，二是實(shí)體傳感器。當(dāng)虛擬對象或環(huán)境已被數(shù)字建模，其幾何外觀已三維重構(gòu)且在虛擬空間中已有精確坐標(biāo)時，主體與虛擬對象的交互需要實(shí)時地計算肢體與虛擬對象和環(huán)境之間的距離，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中可設(shè)計專門的算法程序應(yīng)用于距離的分析計算，其作用相當(dāng)于一個虛擬的“接觸覺傳感器”，類似地，如果有算法可通過影像分析計算得到虛擬對象的材質(zhì)類別或表面細(xì)節(jié)特征，并進(jìn)一步估算其導(dǎo)熱系數(shù)和表面粗糙度，則可由此分別構(gòu)造一個虛擬的“溫度傳感器”和一個虛擬的“紋理特征傳感器”。實(shí)體傳感器是指實(shí)物類型的觸覺傳感器。當(dāng)操作主體有一個隨動的機(jī)械手臂且觸覺交互的虛擬對象也有對應(yīng)的實(shí)物對象時，虛擬對象可不需要精確建模而只是簡單的VR拍攝即可，此時，操作主體與虛擬對象的交互實(shí)際上是操作主體控制下的機(jī)械手臂與實(shí)際物體的交互，可通過觸覺傳感器感知機(jī)械手臂與物體的交互過程，并實(shí)時反饋給虛擬環(huán)境中的操作主體，以幫助操作者獲得全真的觸覺體驗(yàn)。實(shí)物類的觸覺傳感器主要包括接觸覺、壓力覺、溫度覺、紋理覺等。

實(shí)物類的觸覺傳感器可以分為點(diǎn)接觸型觸覺傳感器、面接觸型觸覺傳感器和滑覺傳感器。其中，點(diǎn)接觸型觸覺傳感器主要用于判別傳感器與目標(biāo)之間的接觸狀態(tài)，可以測量接觸力的大小，也可以只是簡單地用0或1表示是否接觸，點(diǎn)接觸型觸覺傳感器在躲避障礙物，控制機(jī)械手的運(yùn)動等方面具有重要價值；面接觸型觸覺傳感器由點(diǎn)接觸型觸覺傳感器以陣列方式組合而成，用于測量傳感器區(qū)域垂直作用力的分布情況，并可形成敏感面與物體相互作用時的觸覺圖像，在自主機(jī)器人應(yīng)用中，面接觸型觸覺傳感器常常面積較大，以更好地完成環(huán)境探測、目標(biāo)識別和精確操控，近年來，隨著仿生機(jī)器人的興起，面接觸型觸覺傳感器與人工皮膚常常以一體化的方式出現(xiàn)，并更多地強(qiáng)調(diào)柔順性；滑覺傳感器主要用于測量物體與傳感器之間的相對運(yùn)動趨勢，可以是專門的滑覺傳感器，也可以由觸覺傳感器解析得到。此外，作為實(shí)際應(yīng)用中的現(xiàn)實(shí)需求，熱覺也常常被組合到觸覺傳感器中。

本質(zhì)上，現(xiàn)實(shí)世界中的觸覺交互是一個力的相互作用過程，觸覺傳感器所感知的物理量是接觸力，傳感器的作用在于響應(yīng)接觸力的變化，并采集交互過程中的力參數(shù)。接觸力參數(shù)采集方法較多，常用方法主要包括機(jī)械式、壓阻式、壓電式、電容式、電磁式、光纖式及生物信號式等。特別地，接觸過程中的位置改變也可通過光學(xué)方法進(jìn)行檢測，由此衍生了間接測量接觸狀態(tài)的光電式觸覺傳感器，比如光電二極管等。上述傳感器中，電容、壓阻、壓電和光電類觸覺傳感器由于簡單經(jīng)濟(jì)往往在實(shí)際應(yīng)用中被優(yōu)先選用。

全局檢測、多維力檢測，以及微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)前觸覺傳感器的趨勢。全局觸感方面，觸覺傳感器通常覆蓋很大區(qū)域，以用于表面形狀和表面特性的檢測。PVDF、碳纖維?和光纖是比較理想的材料，PVDF可以方便地被制造成大面積的“人工皮膚”，碳纖維和光纖可以通過編織工藝構(gòu)造大面積可穿戴的柔順型觸覺傳感器，以用于任意表面的觸覺測量，并測量多維接觸力分布。多維力檢測方面，1984年，Kinoshita等即已關(guān)注3D目標(biāo)的感覺以及傳感器設(shè)計問題?；2010年，日本Van A H等人利用MEMS技術(shù)研制成功用于機(jī)器人指部的三維力觸覺傳感器?。國內(nèi)高校和機(jī)構(gòu)對多維力的檢測也非常關(guān)注，2009年中科院合肥智能機(jī)械研究所研制成功三維力柔性觸覺傳感器，實(shí)現(xiàn)了對三維力的檢測?。2014年，浙江大學(xué)Yu Ping等開發(fā)成功一種可檢測X（4N）、Y（4N）和Z（20N）方向的觸覺傳感器?。觸覺傳感器的微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化是虛擬現(xiàn)實(shí)和現(xiàn)代機(jī)器人系統(tǒng)的迫切需求，帶有微處理器的觸覺傳感器能夠在探測現(xiàn)場即時采集和處理數(shù)據(jù)，并實(shí)時地與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。未來觸覺傳感器除具備基本的觸覺傳感功能外，還將具備自診斷、校準(zhǔn)和測試等附加功能，2011年，Muroyama等報告了LSI微型觸覺傳感器系統(tǒng)的研制工作?。此外，多模感知也是觸覺傳感器的一個方向。在人工皮膚中內(nèi)置一層可以檢測溫度變化的傳感器以實(shí)現(xiàn)熱覺檢測是可行的做法。2014年，Wettels等報告了一種可用于目標(biāo)設(shè)別和抓取作業(yè)的指型觸覺傳感器陣列，該傳感器可以象人類皮膚一樣具有感知力、熱和微振動的能力?。此外，Sohgawa M?也報告了一種采用MEMS懸臂梁的多功能觸覺傳感器，該傳感器不僅能夠探測到目標(biāo)的接近，而且能夠檢測接觸、滑移和表面紋理等情況。

在性能指標(biāo)方面，觸覺傳感器尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)應(yīng)用中，觸覺傳感器應(yīng)具有較好的強(qiáng)度，重復(fù)性好、噪聲低、遲滯小、魯棒性好、不易受環(huán)境影響而損壞。

觸覺顯示技術(shù)。觸覺顯示是與觸覺傳感相對應(yīng)的一個概念。觸覺傳感可以獲取物體之間相互作用的接觸情況和力的大小，觸覺顯示則能夠把這種接觸情況和力的大小顯示還原出來，讓有知覺能力的主體知曉和掌握相互作用情況，進(jìn)而更好地完成操控作業(yè)或進(jìn)行決策。

觸覺顯示源于主從機(jī)器人領(lǐng)域，其目的是把遠(yuǎn)地從機(jī)械手側(cè)的接觸情況在本地主機(jī)械手側(cè)進(jìn)行還原，以便主機(jī)械手側(cè)的操作者能夠獲得遠(yuǎn)地機(jī)械手作業(yè)時的真實(shí)感覺。主從機(jī)器人領(lǐng)域的觸覺顯示最初被稱為觸覺臨場感或者觸覺再現(xiàn)，后來隨著虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的興起，觸覺再現(xiàn)作為一個概念逐漸被觸覺顯示所取代。

觸覺顯示主要有兩種方式，一是視覺顯示，二是基于物理刺激的觸覺顯示。觸覺信息的視覺顯示在早期有些價值，由于需要額外的顯示屏并占用操作者的視覺資源，逐漸被棄用。在基于物理刺激的觸覺顯示方面，早期的技術(shù)手段主要包括頂針刺激、氣動刺激、振動刺激和電刺激。其中，1）頂針刺激通過壓電、電磁、形狀記憶合金（SMA）和氣動等多種方式驅(qū)動的頂針陣列實(shí)現(xiàn)，頂針可以停留在上下兩個位置，也可以在垂直方向上振動，以給皮膚施加壓力和振動。2）氣動刺激是將具有一定壓力的氣體通過泵閥和管道施加到人體皮膚上，使人產(chǎn)生接觸到物體的感覺。氣動刺激包括噴氣、氣囊、氣環(huán)和氣針等多種形式。氣動刺激帶寬和分辨率很低，操作者容易產(chǎn)生肌肉疲勞并因此減低感覺能力。3）振動刺激使用鈍針、音圈或壓電晶體等產(chǎn)生振動。振動觸覺裝置體積小、帶寬高，是一種應(yīng)用廣泛的觸覺刺激方式。振動觸覺技術(shù)較為成熟，并能以觸覺圖像序列快速刷新的方式實(shí)現(xiàn)“觸覺電影”。4）電刺激是將電脈沖施加到用戶指端的微小電極上從而形成觸感覺。電觸覺能夠在沒有機(jī)械激勵的情況下產(chǎn)生壓力或震動感覺。電刺激觸覺體積小、重量輕，不足之處在于動態(tài)范圍較小，易引起電刺痛等不舒服的感覺。除此之外，近年來，研究人員還發(fā)展了一些新穎的技術(shù)手段，如超聲刺激、電流變液、磁流變液和射流刺激?等。

力的顯示和反饋一直是領(lǐng)域內(nèi)的一大難題，早期的作用力顯示是借助機(jī)械手臂完成的，機(jī)械手臂一方面通過級聯(lián)的臂桿為指爪提供空間定位，另一方面也借助機(jī)械手臂的基座完成相互作用力的顯示。由于需要機(jī)械手臂并需要精確的控制，這樣的力反饋裝置價格極其昂貴，通常只在實(shí)驗(yàn)室及特別場所使用，2005年左右，有機(jī)構(gòu)推出了桌面型觸覺力顯示器，如delta和phantom等，大幅降低了力反饋顯示裝置的成本和價格，但價格仍高達(dá)20萬元左右，難以為普通消費(fèi)者所承受。Delta是Force Dimension公司研制的多自由度多功能力反饋系統(tǒng)，可在較大的工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大范圍作用力的反饋，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動知覺，以及觸摸玻璃或者海綿等物品時觸感的高保真、高品質(zhì)顯示。Omega是低成本的桌面型力反饋設(shè)備。Omega采用鋁制構(gòu)件，減少了慣性效應(yīng)，Omega可產(chǎn)生持續(xù)的12.0牛頓的作用力，閉環(huán)強(qiáng)度為每毫米14.5牛頓。Phantom是SensAble Technologies推出的力反饋系統(tǒng)。Phantom力反饋裝置可以提供沿x軸、y軸和z軸的力反饋，以及偏航、俯仰和側(cè)滾等，可模擬虛擬碰撞、反作用力和轉(zhuǎn)矩等不同的感覺。Phantom力反饋裝置可幫助操作者完成精準(zhǔn)的3D對象操作，并能夠提供虛擬裝配、虛擬樣機(jī)、維護(hù)路徑規(guī)劃、遠(yuǎn)程操作以及分子模擬等多種形式的力感覺探索。

除上述點(diǎn)觸覺力反饋外，業(yè)內(nèi)還推出了以指爪控制為特征的手套型觸覺反饋控制器，該類控制器通過固定于指爪外側(cè)的外骨骼機(jī)構(gòu)限制指爪自由度，從而提供力反饋。典型方案包括Mcgill、Cyber和Dexmo等。手套型觸覺反饋的特點(diǎn)在于通過指爪控制提供力感覺，由于結(jié)構(gòu)簡單，成本極大降低，但力反饋通常只限于局部應(yīng)用。

近年來，受虛擬現(xiàn)實(shí)氛圍的影響，很多個人愛好者和公司介入了力感覺顯示的研究和產(chǎn)品開發(fā)中，并推出了多種概念產(chǎn)品如Gloveone、Impacto和IMotion等。隨著陀螺儀和視覺定位等技術(shù)發(fā)展，觸覺反饋手套有望克服自由空間定位的難題，成為極有前途的發(fā)展方向，并徹底解決觸覺顯示應(yīng)用層面成本高昂的難題，成為和視覺顯示器一樣的廉價產(chǎn)品。100多年前，人們無法想象視覺顯示器能取得今天這樣的輝煌成就，從單色到彩色，從模糊到清晰，從小到大，無一不凝聚著人類智慧的精華。如同古人難以想象如今視覺顯示器的成就一樣，雖然我們今天也難以想象未來觸覺顯示器會取得怎樣的成績，但縱觀視覺顯示器的發(fā)展歷史，有理由相信，隨著人們對完美觸覺的不懈追求，未來觸覺顯示器一定會達(dá)到更高的層次和水平，并在工業(yè)領(lǐng)域和日常生活中獲得廣泛應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)瓶頸

總體來說，當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的主要受限如如下幾個瓶頸：

環(huán)境和對象3D建模。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有兩個坐標(biāo)空間，一是現(xiàn)實(shí)世界的坐標(biāo)空間，而是虛擬世界中的坐標(biāo)空間，當(dāng)操作者和虛擬空間交互時，操作者身處現(xiàn)實(shí)世界的絕對空間中，而交互的對象則處于虛擬空間中，兩個空間中坐標(biāo)系必須建立某種映射關(guān)系，才能實(shí)現(xiàn)操作者對虛擬對象的精確操控。

當(dāng)操作者完成操作后，使操作者視覺上感覺到交互效果的方式有二種，一是人在絕對空間中移動時，虛擬空間相對于絕對空間保持靜止；二是操作者相對于絕對空間保持靜止，而虛擬空間通過場景切換使虛擬空間相對于絕對空間在動。

由于操作者與虛擬空間的交互可遍歷整個空間及所有的對象，這就要求虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要準(zhǔn)備虛擬環(huán)境和對象的全部三維模型，當(dāng)虛擬對象和環(huán)境是以計算機(jī)合成的方式建立時，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備比較容易，而當(dāng)這些對象或環(huán)境來自現(xiàn)實(shí)世界時，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備將成為一個困難，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界中無論對象還是環(huán)境，其外觀和幾何尺寸的獲取只能通過3D掃描的方式獲取，由于現(xiàn)實(shí)環(huán)境的復(fù)雜，以及對象可能較多，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備不僅過程漫長，而且數(shù)據(jù)量極大。

海量數(shù)據(jù)通信。擬現(xiàn)實(shí)交互中，無論是圖像傳感器的數(shù)據(jù)獲取還是立體顯示中的場景顯示，均涉及大量的影像數(shù)據(jù)的傳輸，特別地，由于交互過程會伴隨操作者虛擬視場的轉(zhuǎn)換，該過程中涉及大量的數(shù)據(jù)計算和和影像傳輸，數(shù)據(jù)量極大。

當(dāng)系統(tǒng)中存在多個交互對象時，其數(shù)據(jù)傳輸量將急劇增長，不僅要求硬件系統(tǒng)性能一流，對數(shù)據(jù)傳輸提出了極高要求，如果數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)遲滯，將嚴(yán)重影響操作者的用戶體驗(yàn)，從當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)條件來看，這方面的保障不容樂觀。

虛擬傳感器?，F(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)多為視頻拍攝的影像，影像中的立體對象和環(huán)境，雖然可以通過視覺觀察，但是卻難以用于直接觸覺探索，由于沒有立體對象和環(huán)境的幾何尺寸參數(shù)，很難計算判斷操作者與立體對象之間的位置關(guān)系以及觸碰情況。為了給操作者提供觸覺交互時的感覺，需要利用圖像算法和專家系統(tǒng)等進(jìn)行分析并編寫程序設(shè)計專門的可探測接觸狀態(tài)、作用力方向大小、材質(zhì)類別和紋理特征等多種“虛擬傳感器”，以幫助操作者獲得較好的觸覺體驗(yàn)。目前這方面的研究工作有限，尚無成熟的算法可借鑒。

裸眼3D顯示。相對于頭戴式顯示器，裸眼3D具有明顯的優(yōu)越性，但是其仍存在若干目前尚無法解決的困難，主要表現(xiàn)在：1）操作者需要被限制在特定的區(qū)域，移動位置時，圖像會出現(xiàn)反視、重影、失真等，嚴(yán)重影響舒適度；2）存在眩暈感，使用者觀看時間稍長就可能頭暈，用戶體驗(yàn)很差；3）水幕和霧幕類裸眼顯示影響真實(shí)感和視場環(huán)境；4）LED葉片法生成裸眼影像時，成像質(zhì)量較差；5）空氣分子等離子體顯示等難以顯示彩色影像；6）裸眼3D電視和LED葉片法裸眼顯示中，由于物理或視場障礙，操作者自身無法走進(jìn)虛擬空間，并以觸覺方式與之交互。

三維耳機(jī)。人只有兩個耳朵，但對于現(xiàn)實(shí)世界中的音源卻具有很好的方位識別能力，能夠輕松分辨音源的左右、前后、上下和遠(yuǎn)近等，這主要?dú)w功于耳朵是一個功能強(qiáng)大的器官，人耳的耳蝸、耳廓，甚至耳毛耳骨等均參與了聲音處理和音源的識別過程，人耳不僅可以偵測到音源到達(dá)人耳時的強(qiáng)度和相位差異，而且還能鑒別聲音在不同位置時的環(huán)境回波差異等，因?yàn)檫@些差異，大腦才有能力對音源方位進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。盡管立體聲技術(shù)已取得較大進(jìn)展，但人耳機(jī)制非常復(fù)雜，目前仍難以通過音響設(shè)施完全還原現(xiàn)場聲音。特別是虛擬現(xiàn)實(shí)中多使用耳機(jī)作為聲音顯示設(shè)備，由于無法激勵外耳，其效果更差。

味覺嗅覺顯示。味覺相關(guān)的輸出設(shè)備為與虛擬物體對應(yīng)的“味覺變形體”。“味覺變形體”需要動態(tài)調(diào)整其幾何形態(tài)使其與虛擬物體一致，并能夠?qū)Ω魑恢锰幍乃崽鹂嗬毕痰任队X特征進(jìn)行調(diào)整和改變，不僅體積要小，而且能動態(tài)調(diào)整幾何形狀，并要求具有較好的實(shí)時性，難度極大。嗅覺輸出和味覺輸出一樣都是以化學(xué)反應(yīng)為特征的刺激裝置，還存在著適宜刺激和安全性等方面的要求，目前尚無成熟可行的技術(shù)方案。

2016年注定是虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展史上不平凡的一年。從國家領(lǐng)導(dǎo)人到普通百姓，都在關(guān)注著VR的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展機(jī)遇，從中央部委到地方政府，都在關(guān)心著VR的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和政策扶持，從東部沿海到西部內(nèi)陸，VR企業(yè)如雨后春筍般創(chuàng)立，一個接一個的VR產(chǎn)品也正在被開發(fā)出來?？梢韵胍?，VR產(chǎn)業(yè)將很快迎來高速發(fā)展期，在未來像手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)一樣完全融入我們的生活，滲透到社會經(jīng)濟(jì)的方方面面。

虛擬現(xiàn)實(shí)的未來或許會是一個遍布全球的綜合性平臺，自然人自出生起就在虛擬世界的理想國中擁有一個唯一的身份并終身相隨，某種程度上，虛擬現(xiàn)實(shí)的世界可看作是與現(xiàn)實(shí)世界平行的“宇宙”空間，人們在其中可擁有屬于自己的虛擬社會生活和生存空間，人們可以有虛擬的貨幣，可以工作掙工資，可以買房做生意，不過也可能犯罪，甚至出現(xiàn)血腥事件。虛擬世界中，可能也需要倫理和法律層面的諸多約束，以規(guī)范人們在虛擬世界中的行為。由于虛擬生活對個體心理和行為方面可能的影響，這方面的研究以及現(xiàn)實(shí)世界對虛擬世界的法律約束等探索宜盡早提上日程。

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責(zé) 編∕楊昀贇