当前课程知识点:大学计算机基础 > 第12章 PowerPoint演示文稿 > 第12章作业 > 第八章扩展阅读—虚拟现实技术
林志豪
近年来虚拟现实(virtual reality)不仅是信息领域科技工作者和产业界研究、开发和应用的热点,而且也是多种媒体竞相报道的热点。事实上,虚拟现实并不是一项新技术,更不是一门新兴学科。在回答什么是虚拟现实技术之前,让我们简要回顾该项技术的由来。
第一个具有虚拟现实思想的装置是由Morton Heilig在1962年研制成功的称为Sensorama的具有多种感官刺激的立体电影设备。事实上,这是一种只供一个人观看的立体电影设备,具有立体声功能,能产生不同气味。座椅根据剧情而摇摆和振动,观看者还能感受到风的吹动。当时放映的是一部浏览纽约的风光片。由于Sensorama提供视觉、听觉、嗅觉、风动感(触觉)和振动感等多种刺激,观看者可以体验到骑摩托车漫游纽约市区时高楼大厦、鸟语花香以及和风拂面的真实感觉。这是一项电子模拟技术与娱乐业相结合的全新技术。但观众只能看,不能改变所看到的和所感受到的环境,即无交互操作功能。
1965年计算机图形学的莫基者Ivan Sutherland发表了“The Ultimate Display”论文,提出了一种全新的图形显示技术。我们知道,计算机图形学的任务是生成看起来象真的,动起来象真的图像,并将其显示在监视器的屏幕上。我们观看屏幕上的图像时,犹如透过窗户观看一个虚拟世界(即计算机生成图像构成的虚拟世界)。Sutherland博士在论文中提出能否不透过屏幕,而是使观察者直接沉浸在计算机生成的虚拟世界之中,犹如我们日常生活在真实世界中一样:观察者自然地转动头部和身体(即改变视点),他看到的场景(即计算机生成的虚拟世界)就会实时地发生改变;观察者还能够以自然的方式直接与虚拟世界中的对象进行交互操作,触摸、感觉它们,并能听到来自虚拟世界的三维空间声音。
事实上,Sutherland博士给出了我们今天称为虚拟现实概念的经典描述。虽然这一术语不是由他提出的。这个描述包括以下几个要点:
(1)计算机生成看起来象真的,听起来象真的,触摸起来象真的虚拟世界(又称模型世界),也就是说计算机生成的模型世界将向介人者—人,提供视觉、听觉、触觉等多种感官刺激。
(2)计算机生成的虚拟世界应给人一种身临其境的沉浸感。
(3)人能以自然方式与虚拟世界中的对象进行交互操作,即不使用键盘鼠标等常规输人设备,而强调使用手势(数据手套)、体势(数据衣服)和自然语言等自然方式的交互操作。我们称这样一个系统为虚拟现实系统,或虚拟环境系统。构建这样一个系统的硬软件技术就是虚拟现实技术。
综览各种文献对虚拟现实的定义,基本上都包含了本节介绍虚拟现实概念时指出的三个要点:即计算机生成一个具有多种感官刺激的虚拟世界;并给人一种沉浸感;以及人能以自然方式与虚拟世界进行交互操作。为了适应虚拟现实的发展,我们提出以下简明定义:虚拟现实是计算机生成的给人多种感官刺激的虚拟世界(环境),是一种高级的人机交互系统。
在我们定义中强调了两点:
(1)计算机生成的虚拟世界(环境)必须是一个能给人提供视觉、听觉、触觉、嗅觉以及味觉等多种感官刺激的世界。这里强调的是虚拟现实不能只有一种感官刺激构成。根据今天的技术水平,虚拟现实通常由视觉、听觉和触觉三种刺激构成。我们在定义中不强调沉浸感,说明虚拟现实可以有沉浸式和习卜沉浸式两种。
(2)虚拟现实系统实质上是一种高级的人机交互系统,因为这里的交互操作是对多通道信息进行的。并且对沉浸式系统要求采用自然方式交互操作;对于非沉浸式系统也可使用常规交互设备进行交互操作。这里强调介人者(人)在所创建的虚拟世界(环境)中的体验是通过人机之间的相互操作获得的,因此人机交互是虚拟现实的核心。
根据上述定义,总的来说,虚拟现实由两部分组成:一部分为创建的虚拟世界(环境);另一部分为介人者(人)。虚拟现实的核心是强调两者之间的交互操作,即反映出人在虚拟世界(环境)的体验。
虚拟现实技术是从20世纪80年代开始应用在医学方面的。最开始只是对个体的局部做CT扫描,得到相应的二维图像,后来又研究出了可进行虚拟手术操作的虚拟三维人体视图,并且在90年代互联网上出现了“虚拟解剖手术”,人们可利用互联网对动物进行假想手术操作,进一步推动了虚拟现实在医学上的应用。到了现在虚拟现实技术在医学上起着多方面的作用。
(1)虚拟医学课堂。在虚拟课堂中,医学研究者可借助传感设备,从各个角度观察人体结构,放大他们想查看的细节,这让他们对人体结构有了更深刻的了解,并减少了观察成本。如果他们对特定的手术不够熟悉,可以在虚拟课堂中不断地练习,直到大致能掌握这类手术,特别是有关心脏和脑部的手术,本身对医生的微操要求很高,而在虚拟医学课堂中练习可以较为有效地提高医者的操作,由于不受器材、场地等的限制,对医者来说十分方便,同时也能极大提高他们的自信。
(2)确定手术方案。医生可将患者的信息和相关图像输入计算机内,利用虚拟现实技术可模拟出患者大致的体内情况,模拟手术的过程,帮助医生寻找出安全性最高的手术方案,在一定程度上减少对患者身体造成的伤害。通过此技术医生还可对患者术后的情况进行预测,制定最适合患者的术后恢复计划。
(3)心理疾病的医治。对于患有心理疾病或具有心理障碍的患者而言,药物是很难将其治的。而心理医生的治疗周期往往比较长,需要耗费医生的大量精力。此时,虚拟现实技术将会成为治疗的另一手段。通过虚拟现实技术,可以为患者营造一个适宜的虚拟环境,减少他的情绪波动。这种疗法既提高了治疗的效率,同时也方便了患者,具有广阔的前景。
因虚拟现实具有出色的沉浸性,能让用户获得如同身临其境的感受,如果能与教学相结合,将成为老师的一大助力。而在近些年来,已有许多企业和组织进行了尝试,并取得了一些成就。
(1)三维教学场景。有时,学生在学习时会遇到难以理解或想象的知识点,若利用虚拟现实技术可帮助学生理解。如在学习立体几何时,可通过虚拟现实技术建立立体模型,并让学生近距离地多角度地观察模型。运用三维学习场景也是一种提高学生的学习兴趣和专注度的方法。就像学习语文课文《荷塘月色》时,可以将荷塘的美景呈现在学生眼前,让其更好地融入课堂。
(2)虚拟实验室。虚拟实验室是在虚拟世界中开辟一块场地,让同学进行实验操作。比起现实的实验室,虚拟实验室能大幅减少资源的使用,也不受场地的限制。同时,一些危险性较大的实验,在现实世界中无法完成,而在虚拟世界中可以实现。但不足的是,受到当前技术水平的限制,实验的拟真程度还不够,要真正达到跟现实生活中的实验一样的话,还有一段路要走。
当今世界的军事实力的比拼,其实也是科技的比拼。其中虚拟现实技术也被各个国家越来越看重。早在20世纪90年代,美国就收集许多地点的信息,斥巨资建造了用来进行近战战术训练的系统,建立虚拟作战环境。而在最近,我国也利用虚拟现实进行模拟跳伞的训练,这些都体现了虚拟现实技术在军事上的广泛性。
(1)虚拟作战环境。士兵穿戴各式的交互设备,在虚拟战场模拟种种军事行动。他们可以进行对环境的侦查,对士兵在特殊环境下对各项技能的训练,比如说在高压情况下如何瞄准敌方部队。还可以分组实战演练。这无疑减少了成本,节约了更多的作战资源,士兵也不会受到真正的伤害。
(2)军事设备的操控。坦克、军用飞机等军事设备的操控室都占据了设备的些许空间,可能会对设备的功能的发展造成一定的阻碍,也容易遭受到敌方的针对的攻击。虽然有无人机的出现,但其在遇到突发情况时往往表现的很笨拙。此时,利用虚拟现实技术对设备进行操控不失为一个很好的解决办法。
VR是一项综合集成技术,涉及计算机图形学、仿真技术、人机交互技术、传感技术、人工智能、显示技术、网络并行处理等技术,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作用。使用者进行位置移动时,电脑可以立即进行复杂的运算,将精确的3D世界影像传回产生临场感。
三维图形的生成技术已经较为成熟,其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的,至少要保证图形的刷新率不低于15帧/秒,最好是高于30帧/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下,如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。
双目立体视觉在立体显示上起了很大作用,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。
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。
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。
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啰嗦。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。
通过数据手套(Data glove)或者深度图像传感器(如leapmotion、Kinect等)来精确测量出手的位置和形状,由此实现环境中的虚拟手对虚拟物体的操纵。数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器,确定手及关节的位置和方向,而基于深度传感器的手势识别则通过深度传感器获得的深度图像信息进行计算,进而获得掌、手指等部分的弯曲角度等数据。
虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术(有规则的环境),而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术,两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。
(1)虚拟现实技术在美国的研究现状。美国是虚拟现实技术的发源地,对于虚拟现实技术的研究最早是在20世纪40年代。一开始用于美国军方对宇航员和飞行驾驶员的模拟训练。随着科技和社会的不断发展,虚拟现实技术也逐渐转为民用,集中在用户界面、感知、硬件和后台软件四个方面。20世纪80年代,美国国防部和美国宇航局组织了一系列对于虚拟现实技术的研究,研究成果惊人。到了现在,已经建立了空间站、航空、卫星维护的 VR 训练系统,也建立了可供全国使用的VR教育系统;乔治梅森大学研制出了一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统;波音公司利用了虚拟现实技术在真实的环境上叠加了虚拟环境,让工件的加工过程得到有效的简化;施乐公司主要将虚拟现实技术用于未来办公室上,设计了一项基于VR的窗口系统。传感器技术和图形图像处理技术是上述虚拟现实项目的主要技术,从目前来看,时间的实时性和空间的动态性是虚拟现实技术的主要焦点。
(2)虚拟现实技术在欧洲的研究现状。在欧洲,英国在辅助设备设计、分布并行处理和应用研究方面是领先的,在硬件和软件的领域处于领先地位。欧洲其它一些比较发达的国家如德国以及瑞典等也积极进行了虚拟现实技术的研究和应用:德国将虚拟现实技术应用在了对传统产业的改造、产品的演示以及培训三个方面,可以降低成本,吸引客户等等;瑞典的DIVE 分布式虚拟交互环境是一个在不同节点上的多个进程可以在同一个师姐中工作的一直分布式系统。
我国对于虚拟现实技术的研究和国外一些发达国家还存在相当大的一段距离,但随着计算机系统工程以及计算机图形学等技术的发展速度越来越快,我国各界人士对于虚拟现实技术也越来越重视,正在积极进行虚拟环境的建立以及虚拟场景模型分布式系统的开发等等。国内许多高校和研究机构也都在积极的进行虚拟现实技术的研究以及应用,并取得了不错的成果。
北京航空航天大学时国内最早进行虚拟现实技术研究的单位之一,建立了一种分布式虚拟环境,可以提供虚拟现实演示环境、实施三维动态数据库、用于飞行员训练的虚拟现实系统以及虚拟现实应用系统的开发平台等等,并对虚拟环境中物体物理特性的表示和处理着重进行了研究,并在虚拟显示的视觉接口硬件方面进行开发,并提出了相关的算法和实现方法。
清华大学国家光盘工程研究中心采用了QuickTime技术实现了大全景VR制布达拉宫;哈尔品工业大学计算机系成功解决了表情和唇动合成的技术问题等。
虚拟现实技术经过近几年的快速发展,各方面性能逐步完善,但仍然面临着一些关键技术有待改进和突破。主要可以概括为下列3个方面。
(1)大范围多目标精确实时定位。目前在已经面向市场的 VR 产品中,当属 HTC Vive Pre的定位精度最高,时延最低。HTC Vive Pre 的定位主要依靠Light House 来完成。Light House 包括红外发射装置和红外接收装置。红外发射装置沿着水平和垂直两个方向高速扫描特定空间,在头盔和手柄上均布有不少于3个红外接收器,且头盔(手柄)上所有的红外接收器之间的相对位置保持不变。当红外激光扫过头盔或手柄上的红外接收器时,接收器会立即响应。根据多个红外接收器之间的响应时间差,不仅可以计算出头盔(手柄)的空间位置信息还能得出姿态角度信息。目前 HTC Vive Pre 只能工作于一个独立的空旷房间中。障碍物会阻挡红外光的传播。而大范围、复杂场景中的定位技术仍需突破。多目标定位对于多人同时参与的应用场景至关重要。
(2)感知的延伸。视觉是人体最重要、最复杂、信息量最大的传感器。人类大部分行为的执行都需要依赖视觉,例如日常的避障、捉取、识图等,但视觉并不是人类唯一的感知通道。虚拟现实所创造的模拟环境不应仅仅局限于视觉刺激,还应包括其他的感知,例如触觉、嗅觉等。
(3)减轻眩晕和人眼疲劳。目前所有在售的VR产品都存在导致佩戴者眩晕和人眼疲劳的问题。其耐受时间与VR画面内容有关,且因人而异,一般耐受时间为5~20 min;对于画面过度平缓的VR内容,部分人群可以耐受数小时。上述的技术瓶颈中,大范围多目标精确实时定位已经取得了一定的突破,在成本允许的情况下,通过大面积的部署传感器是可以解决这一问题的。感知的延伸还存在较大的技术难度,尤其是触觉;但当前的VR应用对感知的延伸并没有迫切的需求。相比之下,眩晕和人眼疲劳却是一个到目前为止还没有解决但又迫切需要解决的问题,是现阶段虚拟现实的技术禁地。
随着时代的发展,虚拟现实技术也已逐渐应用于我们生活的方方面面,21世纪将是属于虚拟现实技术高速发展的时代。本文回顾了虚拟现实技术的起点,列举了几项虚拟现实技术在现实中的应用,并点出了几项关键技术,最后,分析了一下发展现状,并且提出了几点有待进步的问题。在此,提出几点建议,在虚拟现实技术上,一方面需要加强研制具有较高智能化程度的生产工具,另一方面需要加强培养 VR 专业人才。如此,虚拟现实技术才能发展得更快更好,在未来中,可以在更多的领域上有更加深入的应用。
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-开篇导读
-常见问题
-1.1 计算文化
--1.1.1 Computer history and development Part I
--1.1.2 Computer history and development Part II
--1.1.3 Application of computers and computational thinking
-1.2 计算思维
--1.2.3扩展阅读——Computational Thinking
--1.2.1 the nature of computational thinking
--1.2.2 Problem solving using computational thinking
-第1章作业
-2.1 数制
--2.1.1 0
-2.2 0/1世界中的数值
--2.4 Binary arithmetic and logical operations
--2.5 Signed and unsigned numbers
--2.6 sign-magnitude,one's complement,two's comliement representation and real munber
-2.3 0/1世界中的字符
--2.7 Characters in digital world
-2.4 0/1世界中的图片、声音和视频
--2.8 Images, sounds and videos in digital world
-2.5 条形码
-第2章作业
-3.1 算法概述
--3.2 Description of algorithms
-3.2 典型算法
--3.3 Typical algorithms enumeration and induction
--3.4 Typical algorithms recursion and iteration
--3.5 Typical algorithms divide-and-conquer and backtracking
-3.3 Python语言编程基础
--3.3.2 Python基础语法及编程示例1-基本语法、条件语句
--3.3.3 Python基础语法及编程示例2-循环语句、内置函数
--3.3.4 Python基础语法及编程示例3-自定义函数
--3.3.1 Introduction to Python
--3.3.2 Python I basic syntax and conditional statements
--3.3.3 Python II loop statements and built-in functions
--3.3.4 Python III user-defined functions
--3.3.5 Python IV drawing with turtle
-第3章作业
-4.1 计算机的硬件系统
--4.1.2 Von Neumann architecture and computer organization
-4.2 计算机的基本工作原理
--4.2.1 Basic working principles of computers
-4.3 现代微机构成及性能指标
--4.3.1 Composition and performance of modern computers
-第4章作业
-5.1 计算机软件概述
--5.1 Overview of computer software
-5.2 系统软件
--5.2.1 System software I_operating system
--5.2.2 System software II programming language, compiler and DBMS
-5.3 应用软件
-第5章作业
-6.1 计算机网络平台
--6.1.5扩展阅读(2)——OSI参考模型与TCPIP的比较
-6.2 局域网技术
-6.3 Internet及其应用
--6.3.1 IP address and domain name
--6.3.2 Access and application of the Internet
-6.4 网络安全
-第6章作业
-7.1 数据管理
--7.1.1 Data managment and data models
-7.2 结构化数据库
--7.2.2 Creating a local database
--7.2.4 Data definition language
--7.2.5,7.2.6 Data Query Command
--7.2.7 Data manipulation language
-7.3 大数据
-第7章作业
-8.1 人工智能
--8.1.2 Artificial intelligence
-8.2 物联网
-8.3 云计算
-8.4 区块链
--【讨论帖】央行DCEP vs Facebook Libra:数字货币你了解多少?
-第8章作业
-9.1 Windows基本操作
-9.2 Windows程序管理
-9.3 Windows文件管理
-9.4 Windows设备管理
-第9章作业
-10.1 Word基本操作
-10.2 论文排版
--论文排版素材
-10.3 修订文档
-第10章作业
-11.1 Excel基本操作
-11.2 公式和函数
-11.3 数据分析和处理
-11.4 数据可视化
-第11章作业
-12.1 PowerPoint基本操作
-12.2 论文展板制作
-第12章作业







