虚拟现实虚拟现实(Virtual Reality,简称VR;又译作灵境)。是由美国VPLResearch公司的奠基人JaronLanier.J.1989年提出了VirtualReality一词,用以统一表述当前纷纷涌现的各种借助计算机技术及最新研制的传感装置的一种崭新的模拟环境。它是一种综合集成技术,涉及计算机图形学、人体交互技术、传感技术、人工智能等领域。它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉,使人作为参与者通过适当装置,自然地对虚拟世界进行体验和交互,最终使得参与者产生身临其境的感觉,并且能直接参与该环境中事务的变换与相互作用。

虚拟现实系统的基本特征

           虚拟现实系统的主要特征是:多感知性(Multi-Sensory)、浸没感(Immersion)、交互性(Interactivity)、构想性(Imagination)。这些使操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中,与之产生互动,进行交流。通过参与者与仿真环境的相互作用,并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力,帮助启发参与者的思维,以全方位的获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。身临其境的沉浸感和人机互动的趣味性是虚拟现实的实质特征,对时空环境的现实构想(即启发思维,获取信息的过程 )是虚拟现实的最终目的。

 一、虚拟现实用以下3种基本技术进行了概括:

  1、三维计算机图形学技术;

  2、采用多种功能传感器的交互式接口技术;

  3、高清晰度显示技术。

  二、虚拟现实系统的技术

  1、虚拟现实首先是一种可视化界面技术,可以有效地建立虚拟环境,这主要集中在两个方面,一是虚拟环境能够精确表示物体的状态模型,二是环境的可视化及渲染。

  2、虚拟现实仅是计算机系统设置的一个近似客观存在的环境,为用户提供逼真的三维视感、听感、触感和嗅感的感受。它是硬件、软件和外围设备的有机组合。

  3、用户可通过自身的技能以6个自由度在这个仿真环境里进行交互操作。

  4、 虚拟现实的关键是传感技术。

  5、虚拟现实离不开视觉和听觉的新型可感知动态数据库技术。可感知动态数据库技术与文字识别、图像理解、语音识别和匹配技术关系密切,并需结合高速的动态数据库检索技术。

  6、虚拟现实不仅是计算机图形学或计算机成像生成的一幅画面,更重要的是人们可以通过计算机和各种人机界面与机交互,并在精神感觉上进入环境。它需要结合人工智能,模糊逻辑和神经元技术。  

虚拟现实图片

所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知,甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术,特别是传感技术的限制,目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

虚拟环境的系统结构

         虚拟环境是体现了虚拟现实所具备的功能的一种计算机环境。虚拟环境必须具备与用户交互、实时反映所交互的影像、用户有自主性三个条件。典型的虚拟现实系统有VIDBOPLACE系统、VIEW系统、Super Vision系统等。

虚拟现实系统由以下模块组成:(1)输入模块:是虚拟现实系统的输入接口,其功能是检测用户的输入信号,并通过传感模块作用于虚拟环境。(2)传感器模块:是虚拟现实系统中操作者和虚拟环境之间的桥梁。传感器模块接受输入模块产生的信息,并将其作用与虚拟环境,又将操作后产生的结果反馈给输入模块。(3)响应模块:是虚拟现实系统的控制中心,响应模块一般三软件模块,其作用三处理来自传感器模块的信息。(4)反馈模块:是虚拟现实系统的输出接口,其功能是将响应模块生成的信息通过传感器模块传输给输出设备。

虚拟环境的实现方法             产生虚拟环境的基本方法有两种,即基于图像的方法和基于模型的方法。全景图生成技术是三基于图像方法的关键技术;基于模型的方法,又称为基于景物几何的方法,是以几何实体建立虚拟环境,几何实体可采用计算机图形学技术绘制,也可用已有的建模工具等建立模型,然后以统一数据格式输出,进行实时渲染,建立虚拟现实模型后,通过加入事件响应,实现移动、旋转、视点变化等操作,从而实现交互式虚拟环境。

虚拟环境系统的分类方法       根据显示方式可分为桌面式、佩带式和全景式。桌面式系统场景通过计算机屏幕显示,用户用立体眼镜观察,声音由台式或室内音响系统提供。佩带式是用头盔将用户视听觉与外界隔离,使用户完全沉浸在计算机生成的虚拟环境中,计算机通过位置跟踪器、数据手套或跟踪球等感知用户的运动、姿态及行为,并反馈到场景及声音系统中,产生人在其中的效果。全景式虚拟系统是投影系统,生成洞穴式虚拟现实,观察者佩带立体眼镜和头部跟踪器,当观察者移动时,立体投影生成器计算出各面墙上的图像。

关键技术  虚拟现实是多种技术的综合,包括实时三维计算机图形技术,广角(宽视野)立体显示技术,对观察者头、眼和手的跟踪技术,以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。下面对这些技术分别加以说明。

实时三维计算机图形技术

  相比较而言,利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模型,又有足够的时间,我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像,但是这里的关键是实时。例如在飞行模拟系统中,图像的刷新相当重要,同时对图像质量的要求也很高,再加上非常复杂的虚拟环境,问题就变得相当困难。

广角(宽视野)的立体显示

  人看周围的世界时,由于两只眼睛的位置不同,得到的图像略有不同,这些图像在脑子里融合起来,就形成了一个关于周围世界的整体景象,这个景象中包括了距离远近的信息。当然,距离信息也可以通过其他方法获得,例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等。

  在VR系统中,双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的,显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器,但用户带上特殊的眼镜后,一只眼睛只能看到奇数帧图像,另一只眼睛只能看到偶数帧图像,奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。

  用户(头、眼)的跟踪:在人造环境中,每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态,而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头(眼)的方向来确定的。

  跟踪头部运动的虚拟现实头套:在传统的计算机图形技术中,视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的,用户的视觉系统和运动感知系统是分离的,而利用头部跟踪来改变图像的视角,用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来,感觉更逼真。另一个优点是,用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境,而且可以通过头部的运动去观察环境。

  在用户与计算机的交互中,键盘和鼠标是目前最常用的工具,但对于三维空间来说,它们都不太适合。在三维空间中因为有六个自由度,我们很难找出比较直观的办法把鼠标的平面运动映射成三维空间的任意运动。现在,已经有一些设备可以提供六个自由度,如3Space数字化仪和SpaceBall空间球等。另外一些性能比较优异的设备是数据手套和数据衣。

立体声

  人能够很好地判定声源的方向。在水平方向上,我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向,因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的,所以会有一种方向感。现实生活里,当头部转动时,听到的声音的方向就会改变。但目前在VR系统中,声音的方向与用户头部的运动无关。

触觉与力觉反馈

  在一个VR系统中,用户可以看到一个虚拟的杯子。你可以设法去抓住它,但是你的手没有真正接触杯子的感觉,并有可能穿过虚拟杯子的“表面”,而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。

语音输入输出

  在VR系统中,语音的输入输出也很重要。这就要求虚拟环境能听懂人的语言,并能与人实时交互。而让计算机识别人的语音是相当困难的,因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。例如,连续语音中词与词之间没有明显的停顿,同一词、同一字的发音受前后词、字的影响,不仅不同人说同一词会有所不同,就是同一人发音也会受到心理、生理和环境的影响而有所不同。

  使用人的自然语言作为计算机输入目前有两个问题,首先是效率问题,为便于计算机理解,输入的语音可能会相当罗嗦。其次是正确性问题,计算机理解语音的方法是对比匹配,而没有人的智能。

虚拟现实艺术(VR艺术)

  VR艺术是伴随着“虚拟现实时代”的来临应运而生的一种新兴而独立的艺术门类,在《虚拟现实艺术: 形而上的终极再创造》一文中,关于VR艺术有如下的定义:“以虚拟现实(VR)、增强现实(AR)等人工智能技术作为媒介手段加以运用的艺术形式,我们称之为虚拟现实艺术,简称VR艺术……该艺术形式的主要特点是超文本性和交互性。”

  “作为现代科技前沿的综合体现,VR艺术是通过人机界面对复杂数据进行可视化操作与交互的一种新的艺术语言形式,它吸引艺术家的重要之处,在于艺术思维与科技工具的密切交融和二者深层渗透所产生的全新的认知体验。与传统视窗操作下的新媒体艺术相比,交互性和扩展的人机对话,是VR艺术呈现其独特优势的关键所在。从整体意义上说,VR艺术是以新型人机对话为基础的交互性的艺术形式,其最大优势在于建构作品与参与者的对话,通过对话揭示意义生成的过程。

  …… 艺术家通过对VR、AR等技术的应用,可以采用更为自然的人机交互手段控制作品的形式,塑造出更具沉浸感的艺术环境和现实情况下不能实现的梦想,并赋予创造的过程以新的含义。如具有VR性质的交互装置系统可以设置观众穿越多重感官的交互通道以及穿越装置的过程,艺术家可以借助软件和硬件的顺畅配合来促进参与者与作品之间的沟通与反馈,创造良好的参与性和可操控性;也可以通过视频界面进行动作捕捉,储存访问者的行为片段,以保持参与者的意识增强性为基础,同步放映增强效果和重新塑造、处理过的影像;通过增强现实、混合现实等形式,将数字世界和真实世界结合在一起,观众可以通过自身动作控制投影的文本,如数据手套可以提供力的反馈,可移动的场景、360度旋转的球体空间不仅增强了作品的沉浸感,而且可以使观众进入作品的内部,操纵它、观察它的过程,甚至赋予观众参与再创造的机会。”

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