所谓虚拟现实技术 究竟如何实现(图)

科技频道来源:光明日报 2016年07月16日 05:01

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　　美国洛杉矶会展中心，游戏玩家正在体验虚拟现实（VR）设备。光明图片/视觉中国

　　伴随着阿里巴巴成立虚拟现实技术（VR）实验室，暴风TV发布首款VR电视，华为公布其第一代VR眼镜产品等，VR产业也拔地而起。可以预见，不久的将来，移动互联网、大数据等信息技术的广泛应用，将推动VR技术进一步发展。那么所谓的虚拟现实技术，究竟是如何实现的呢？

　　1.软件、硬件综合应用的前沿学科

　　虚拟现实技术（VR）是创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统技术。也就是说，VR利用计算机生成一种模拟环境，利用多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。截至目前，世界上还没有关于它的普遍适用的定义，但一般可以认为：它利用各种人机交互技术，为人类在现实空间之外创造了另一个尽可能真实的、互动的、身临其境的虚幻世界，使人类可以漫游其中，体验最真实的虚拟空间，不受任何限制地在自己的梦想里散步。

　　VR已经广泛应用于新媒体、航天、军事、工程等各种尖端科技领域中，并将作为一种先进的技术手段更为广泛地应用于我们的日常生活。由于虚拟现实在人机交互中使用的显示器大多是头盔式增强型随身看显示系统，所以，他是随身看显示系统最有前景的应用领域之一。用户只需戴上虚拟现实装备，如头盔、眼镜等，就可以身临其境地感受到设备中设置好的各种场景。

　　VR系统一般包括用户控制系统，如人体运动监测、控制杆、键盘、鼠标等控制设备和视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等人类感觉方面的仿真反馈系统、处理系统，以及人类感知的信息显示系统，即显示器、音响、三维座椅等。其中，视觉、听觉的控制和仿真是目前VR较为主要的发展方向，而头盔式增强型随身看显示系统则是用户使用的主要产品形式。

　　2.在计算机中预先构造虚拟空间

　　VR是依赖于大量的计算机软件技术如人工智能、模式识别、图形学、底层接口等技术和新型显示技术、场传感器技术、力量反馈系统、无线、有线通信等技术综合应用的一门交叉学科。从本质上讲，VR是对现实世界的再现和梦境的实现；从技术角度讲，它是软件、硬件领域的前沿技术综合应用和面向对象的综合技术开发。

　　VR可以使人们在头戴一个头盔式增强型随身看系统的情况下，身临其境体验一次梦幻似的虚拟现实。其实，这些虚拟现实场景，就是使用复杂的软件技术，预先在计算机中构造一个真正的虚拟空间，空间中的每一个点都具有X、Y、Z三个维度的坐标、色彩、法线、逻辑关系等众多维度的信息，计算机再通过传感器、操纵杆、鼠标等用户输入设备确定虚拟场景中人的位置，最后通过计算机将画面再现到用户眼前，从而创造出虚拟空间。

　　这样的一系列工作如果能够连贯起来，并且整个系统一个周期的运算时间小于人的视觉暂留时间，用户就会在头戴式增强型随身看显示系统的虚像显示屏幕上拥有在虚拟现实世界中漫游的感觉了。VR就是创造一个虚拟的环境，让你觉得这就是现实。通过这个虚构的现实来娱乐你、吸引你。

　　3.MR——突破虚拟与现实的界限

　　除了VR技术外，还有增强现实技术，即AR，如今全世界只有20余家权威的公司在进行研究，谷歌的技术相对成熟，其目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。这种技术最早在1990年提出，随着随身电子产品运算能力的提升，预期其用途将会越来越广。

　　从本质上来说，AR是数字媒体和真实世界之间的交互。AR的成像理念与VR沉浸式的成像体验打造出了一种以全息投影现实为主的混合虚拟现实技术，即MR。在今年6月份举行的微软开发者峰会上，微软首席执行官萨提亚·纳德拉向人们强调了对其混合虚拟现实技术设备——Hololens的正确“打开”方式，这既不是VR头盔，也不是AR眼镜，这种混合虚拟现实设备是将计算机生成的3D虚拟物体全息投射到现实空间中，Hololens的佩戴者可以在现实空间中与3D虚拟动画进行交互式操作，并触发相应功能。这类MR设备的成像原理并不同于沉浸式的VR设备，它是将虚拟画面投射到真实空间中，但所投射的全息3D图像，其成像效果突破了虚拟与现实世界的界限。

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　　虚拟现实技术的研究和应用

　　美国国家航空航天局对这一技术研究的重点是对空间站操纵的实时仿真，他们大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。如对哈勃太空望远镜的仿真和“虚拟行星探索”的试验计划，这一项目能使“虚拟探索者”利用虚拟环境来考察遥远的行星，第一个目标是火星。

　　美国北卡罗来纳大学是进行虚拟现实技术研究最早、最著名的大学。他们的主要研究有分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。在显示技术上，该所大学开发了一个帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示的并行处理系统，叫作像素飞机。

　　麻省理工学院原先就是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是虚拟现实技术的基础，1985年成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。

　　华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室在新概念的研究中起着领先作用，同时也在进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。他们将虚拟现实技术研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。例如，波音公司的V22运输机就是先在实验室中造出虚拟机后再投入生产的。

　　伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中，支持远程协作的分布式虚拟现实技术系统。不同国家、不同地区的工程师们可以通过计算机网络实时协作进行设计。在设计车辆的过程中，各种部件都可以共享一个虚拟环境，并且可以查看对方任何一个位置的视频传递和相应的定位方向。在系统中采用了虚拟原型，从而减少了设计图像和新产品进入市场的时间，这样产品在生产之前就可以估算和测试，并且大大地提高了产品质量。

　　乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。在一个分布交互式仿真系统中模拟真实世界复杂流体的物理特性，包括模拟正在穿过水面行驶的船、搅拌液体、混合不同颜色的液体、下雨对地形的影响等特性。

　　（魏岳江）