1、虚拟现实让生活更逼真 1虚拟现实让生活更逼真肖沪卫（上海科学技术情报研究所 200031）摘要：人会做梦，会幻想，虚拟现实技术却能使梦想成真。未驾驶过飞机，也能知道驾机飞行的感觉；没有当过宇航员，却能体会到太空飞行中失重的滋味；虽不是潜水员，但能感受到深沉大海的孤寂和观看到神奇眩目的景观虚拟现实技术所带来的身临其境的神奇效应正渗透到各行各业，成为近年来国际科技界关注的一个热点。它是建立在计算机图形学、人机接口技术、传感技术和人工智能等学科基础上的综合性极强的高新信息技术，在军事、医学、设计、艺术、娱乐等多个领域都得到了广泛的应用，被认为是 21 世纪大有发展前途的科学技术领域。本文如诗如画般全
2、方位展现了虚拟现实技术的概念与应用前景。未驾驶过飞机，也能知道驾机飞行的感觉；没有当过宇航员，却能体会到太空飞行中失重的滋味；虽不是潜水员，但能感受到深沉大海的孤寂和观看到神奇眩目的景观虚拟现实技术所带来的身临其境的神奇效应正渗透到各行各业，成为近年来国际科技界关注的一个热点。它是建立在计算机图形学、人机接口技术、传感技术和人工智能等学科基础上的综合性极强的高新信息技术，在军事、医学、设计、艺术、娱乐等多个领域都得到了广泛的应用，被认为是 21 世纪大有发展前途的科学技术领域。1 虚拟现实探秘虚拟现实是从英文 Virtual reality 一词翻译过来的，虚拟现实让生活更逼真2Virtual
3、 就是虚假的意思，Reality 就是真实的意思，合并起来就是虚拟现实，也就是说本来没有的事物和环境，通过各种技术虚拟出来，让你感觉到就如真实的一样。关于虚拟现实的提法，历来多有争议。国外有人反对“Virtual Reality“这个词，称它太玄乎；国内也有人认为虚拟现实的译法不佳，而主张翻译为“灵境” ，这给人一种空灵缥缈的感觉，颇有一些韵味。另外也有一些译法如实时环境、虚拟空间、人造现实、仿真技术等等。但在科学界，大多数人仍主张直译为虚拟现实，以求准确和符合现代语法。 1.1 什么是虚拟现实？人在现实世界中是通过眼睛、耳朵、手指等器官来实现视觉、听觉、触觉等功能的，人们可以通过视觉观察到色
4、彩斑斓的外部环境，通过听觉感知丰富多彩的音响世界，通过触觉了解物体的形状和特性。一个世纪以来,我们已经有一种虚拟现实电话,或者说是声音的虚拟现实。对此,我们早就习以为常。但当 19 世纪,电话初次展现在人们面前时,这也是一种全新的世界。无论人们相隔多远,一个电话线就能把两个人联系起来,这难道不让人惊奇么？在人类历史上,这也是开天辟地头一遭。20 世纪 20 年代,诞生了电视，这种以声音和影像并茂的虚拟现实，打开了人类视觉空间，使人们足不出户，遍览天下大事。然而这些远非真正意义上的虚拟现实。真正的虚拟现实在技术思想上有着质的飞跃,它直接将我们投入到虚拟的三维空间中去，与交互的环境融为一体。在这个
5、虚拟的世界里，我们能够自由的运动，观看风景，就和真实的世界一样，我们有着足够的自主性，我们甚至可以捡起一块石头攻击敌人。虚拟现实让生活更逼真 3于是，我们可以认为：虚拟现实是人们利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境，将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一，并利用人机交互设备，把操作者与计算机生成的三维虚拟环境连结在一起。操作者通过人机交互设备，以自然的方式（如头的转动、手的运动等）向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉等多种感知获得三维感觉世界。随着人们不同的动作，这些感觉也随之改变。目前，与虚拟现实相关的内容已经扩大到了与之相关的许多方面，像“人工现实（Artificial R
6、eality） ”、 “遥现” （Telepresence） 、 “虚拟环境” （Virtual Environment） 、 “赛伯空间” （Cyberspace）等，都可以认为是虚拟现实的不同术语或形式。事实上, 虚拟现实要创建一个酷似客观环境又超越客观时空、能沉浸其中又能驾驭其一的和谐人机环境，也就是由多维信息所构成的可操纵的空间。1.2 虚拟现实二大特点虚拟现实最重要的特点就是“逼真”与“交互”性。参与者在虚拟世界中就象身临其境一样。环境象真的，人象在真环境中与各种物体及现象相互作用。环境中的物体和特性，按照自然规律发展和变化，而人在其中经历视觉、听觉、触觉、运动觉、味觉和嗅觉等感受。
7、首先，虚拟现实很“逼真” 。电视的空间是二维空间而不是现实世界的三维空间，电视的所谓“立体声”效果也不同于现实世界的声音的立体特征。而虚拟现实的视觉空间、视觉形象是三维的，音响效果也是“地道的三维音响” 。二维与三维的视觉形象有本质的区分：在一个二维屏幕上看三维的图像就如同从一个玻璃船底看下面的海水，这时感到自己还是在船上，处于三维环境的边缘，从它的边缘看这个世界的深处。而在一个立体的“屏幕”里看一个视觉世界就像是在潜水。通过一个电脑化的手套来虚拟现实让生活更逼真4操纵一个三维显示器，我们进入到虚拟现实的多重感觉的世界中，就如同戴着潜水装置潜入到深海，我们沉浸在水下环境中，在礁石间穿行，听着鲸
8、鱼的低鸣，捡起贝壳来仔细端详，与别的潜水员交谈，完全参与到海底探险的经验当中。这种感觉是如此的真实，以至于我们全方位地浸没在这个虚幻的世界中。其次，虚拟现实强调交互性。在系统中，用户可以直接控制对象的各种参数，如：运动方向、速度等，而系统也可以向用户反馈信息，如：模拟驾驶系统中两车相撞，用户会感觉到震颤，车在抖动。经过不平路面时，汽车会颠簸。在虚拟现实中，视觉无疑是最主要和最常用的交互手段。因为观察点是在观察者的眼睛上，这样，观察者就可以得到与在真实世界中同样的感受。随着图像的变化，再配以适当的音响效果，就可以使人们有身临其境的感受。但是，当人们希望用手来触摸虚拟模型，或用手直接对虚拟模型进行
9、操作时，只是视觉和听觉就无能为力了，因而需要研制和开发具有触觉功能的交互手段，也就是具有“力反馈“功能的装置。它可以对使用者的输入（如手势，语言命令）作出响应。比如你可以拿起一虚拟的火炬并打开其开关，你一推操纵杆，仿佛可以在里面漫游，你甚至可以用虚拟的手感触到虚拟物体存在。1.3 虚拟现实三大类型虚拟现实可分为仿真、超越、幻象三种类型。仿真型虚拟现实：它根据现实世界的真实存在，由计算机将其模拟出来。它虽然现在并不存在，但一切都是符合客观规律的。仿真虚拟现实被广泛用于培训中。 “虚拟飞机座舱”便是一例。学员坐在座舱里便可获得和真实飞行中一样的感受。根据这种感受做出各种操作，并根据操作后出现的效果
10、可判断这样操作是否正确。旅游业同样可以利用仿真虚拟现实招揽游客，让公众通过虚拟现实让生活更逼真 5虚拟现实观赏到名山大川之雄伟、深谷小溪之清幽、名胜古迹之丰富、风土人情之多彩，必能激发其游兴，增加客源。超越型虚拟现实：它虽然也是根据真实存在进行模拟，但所模拟的对象或者用人的五官无法感觉到，或者在日常生活中无法接触到。超越型虚拟现实可以充分发挥人的认识和探索能力，揭示未知世界的奥秘。它以现实为基础，却可能创造出超越现实的情景。例如，可以模拟宇宙太空和原子世界发生的情况，把人带入浩瀚无比或纤细入微的世界里，对那里发生的一切取得感性认识。如美国宇航局把火星探测器发回的大量数据，经过整理制成火星模型，
11、可以使人从感性上了解火星上的各种情况，宛如置身于火星上一样。幻想型虚拟现实：随心所欲地营造出现实世界不可能出现的情景。神话、童话、科学幻想在这个世界中可以轻而易举地化作“现实” 。因此，幻想型虚拟现实给人带来广阔的想象时空，尽管有时是荒诞不经的，却促进了人类想象和创造力的发展；完全是子虚乌有的，却可供人消遣娱乐。例如，模拟海底龙宫世界，可以置人于虾兵蟹将之中，赏悦各种奇珍异宝。逼真的感受，宛如真正置身于龙宫。并且最重要的，就是它是交互式的，也就是说随着人的反应不同，将出现不同的情景。这一点是目前现实生活中其它娱乐手段所做不到的。1.4 虚拟现实四大构成虚拟现实系统包含操作者、机器、软件及人机交
12、互设备四个基本要素，其中机器是指安装了适当的软件程序，用来生成用户能与之交互的虚拟环境的计算机，内含存有大量图像和声音的数据库。人机交互设备则是指将虚拟环境与操作者连接起来的传感与控制装置。 虚拟现实让生活更逼真6人机交互设备将视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等各种感官刺激传达给操作者，使人的意识进入虚拟世界。目前已经开发出来的，在视觉方面有头盔式立体显示仪等；听觉方面有立体音响；触觉、位置感方面有“数据手套” 、 “数据服”等，以及一些语音识别，眼球运动检测等装置，未来还会开发出模拟味觉和嗅觉的设备，那时虚拟现实将更加真实。头盔式显示器（Head Mounted Display）是与虚拟现实系统
13、关系最密切的人机交互设备，这种设备是在头盔上安装显示器，利用特殊的光学设备来对图像进行处理，使图像看上去立体感更强。绝大多数头盔式显示器使用两个显示器，能够显示立体图像。从人类获取信息的方式看，视觉是最主要的，它占人们获取的信息量的 70%，其次是听觉、触觉和味觉。为了实现逼真的效果，满足人的视觉和听觉习惯，虚拟环境的图像和声响应是三维立体的；为了达到实时性，图像至少应有 60 Hz 的帧频，还要随时响应人们的操纵信号，延迟不能超过 0.1 秒。虚拟现实系统利用头盔显示器把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉。头戴式显示器将观察者的头部位置及运动方向告诉计算机，计算
14、机就可以调整观察者所看到的图景，使得呈现的图像更趋于真实感。数据手套(Data glove)是虚拟现实系统中最常用的人机交互设备，它可测量出手的位置和形状从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。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。数据手套可能使你觉得你的手产生放在水中、或者泥巴中的感觉。数据服也是虚拟现实系统中用的人机交互设备。一件虚拟现虚拟现实让生活更逼真 7实的数据紧身服可能使你有在水中或泥沼中游泳的感觉。当人戴上头盔时，就把立体图像，由多媒体计算机从头盔的显示器显示给参观者。人戴上数据手套，你的手一动，有很多传感器就测出了你的动作
15、（比如去开门） 。计算机接到这一信息，就去控制图像，使门打开，你眼前就出现了室内的图像景物，并给出相应的声音及运动感觉。当你的妻子恰巧在房中，看到你的出现，她张开双臂亲昵地向你飞奔而来，随之你的腰被紧紧地搂住。切记，此时仅是数据紧身服在收缩罢了，只是这一切来得那么自然，那么逼真，那么不露痕迹。 2 虚拟现实的发展人类自古以来都有一种对某个未知、未及的世界的想象和想象性地占有。这种欲望和想象在个人身上表现为梦（睡梦和白日梦） ，在集体（民族）身上表现为神话、宗教。人类不仅把对另外世界的向往和想象诉诸神话、诗歌等语言形式，而且以既有的技术手段将它们诉诸视觉形象和声音形式。于是，原始人的岩画，中国古
16、代的兵马俑，各个时代的雕塑、绘画视觉艺术，以及近现代出现的透视画、全景画、立体图镜、电影、电视等构成了虚拟现实的史前史。画、电影、电话、电视、计算机的发展为虚拟现实问世打下了基础。20 世纪 50 年代，莫顿.海利希就考虑，看电影如何才能使人有身临其境的感觉。他得到墨西哥教育部长的支持，研究制造出一台机器，叫“传感影院” ，但效果不佳。又由于教育部长在飞机失事中丧生，他失去了经济支持。幸好又有对此感兴趣的人提供投资，他才制成第二台样机。这是利用视觉、听觉、运动觉，使用户感到好像是骑在摩托车上旅行，欣赏周围的自然景色。可虚拟现实让生活更逼真8惜的是，这种装置只能为一个人服务，每次花费惊人，所以没
17、有引起电影界的重视。1965 年，美国人艾凡萨瑟兰，在篇名为的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，后来被公认为在虚拟环境领域中起着里程碑的作用。1970 年，出现了第一个功能较齐全的头盔式显示器系统。该系统含有能模拟力量和触觉的力反馈装置。80 年代，美国的杰伦正式提出了“Virtual Reality”一词。美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。1986 年，美国航空和航天局建立了世界上第一个计算机虚拟环境。1990 年在美国达拉斯召开的国际会
18、议上明确了虚拟现实的主要技术构成，即实时三维图形生成技术、多传感交互技术及高分辨率显示技术。进入 90 年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。1993 年爱荷华大学提出了“制造技术的虚拟环境”的报告，提出建立支持虚拟制造环境等技术。1997 年美国标准与技术研究院“使用 VRML 的制造系统建模”，探讨了虚拟现实技术及在网络上的应用。希望将 WWW 变成一个三维的立体空间。主页的链接也不再是高亮显示的
19、图片和文字，而是在三维空间打开一扇门或者触摸一个物体，就进入了另一个虚拟现实让生活更逼真 9主页。甚至同时上网者互相之间都能看到，你在网上可以有一个虚拟的自己，可以象逛街一样浏览主页，同时和路上碰到的人打招呼。你能在 Internet 上设计自己的三维虚拟空间。可以建造虚拟的房间、建筑物、城市、山脉和星球。能用虚拟的家具、汽车、人员、飞机或你能想象的任何东西来填充虚拟的世界。3 虚拟现实技术现状虚拟现实技术发展到如今，当然不只是纸上谈兵。各大公司努力开发的各种设备，在促进虚拟现实的实际应用上起到了相当的作用。3.1 国外现实技术现状3.1.1 硬件现状虚拟现实技术诞生以来，许多大学、科研机构及
20、制造厂家研究开发了各种各样的信息检测、再现和生成装置，尤其对视觉信息再现装置的研究方面取得重大进展。按立体成像方式和图像是否跟随观察者头的转动而移动，视觉信息再现装置大体上可以分为两大类，一种是利用立体电影原理生成立体图像的视觉信息再现装置。这种方式的立体图像需要戴上特殊的眼镜才能看得到，且立体图像不能跟随观察者头转动。另一种视觉信息再现装置是头盔式显示器，其立体图像可以跟随观察者的头而转动，这种方式可以获得较高的临场感觉。头盔式显示器（HMD）：美国犹他大学的学生索式兰德应用立体镜视原理在 60 年代末发明了第一台头盔式显示器。虚拟现实技术诞生之后，头盔式显示器得到了广泛的应用。近年来世界上
21、许多厂家生产了各种各样的头盔式显示器。岛津制作所生产的头盔式显示器采用 CRT 显像方式，重量虽然增加了一些，但图像的清晰度比液晶显像高。另外，现阶段头盔式显示器主要应用在虚拟现实让生活更逼真10科研机构，所以生产的台数有限也是价格高的一个主要原因。索尼公司为了降低头盔式显示器的价格以把它推向个人消费市场，于 1997 年 6 月开发了廉价、简易、携带型的新产品（MLM-50） 。这种小型的头盔式显示器虽然观赏不到立体图像，但可以取得在2 米的距离观看 52 英寸电视机的效果，并有配套的小型录像机和充电电池适合于个人在野外或出差途中使用。索尼公司计划以每月 5000 台的数量推向个人消费市场。
22、2000 年 6 月 14-19 日在东京举行的“第 8 届产业虚拟现实展”中，正在开发中的单眼头戴式显示器“DATA GLASS2”被展出。该产品只要与电脑相接便可显示图像，与早期的产品相比，新产品的最大改进之处在于减轻了重量，仅为 80g，据称这是目前最轻的头盔式显示器。新产品与 800600 像素（SVGA）的彩色显示相对应，总像素（RGB）与早期产品相比，增加了 50%，达到 144 万像素。视角也从 25 度增至 30 度。头戴该产品的视觉感受，与在 60cm 远的地方观看 14 英寸屏幕的效果基本相同。该产品由液晶板和反射光学系统构成的曲面镜组成。考虑到头戴时的安全性，外界光线能够透过画面，使戴镜者能够看到周围物体。数据手套：赛伯手套（Cyber Glove）公司生产的数据手套在每个手指上有三个弯曲传感器和一个扭曲传感器，在手掌上还有两个传感器。数据手套本身配有一个叫“假手”的软件，该软件用来接收传感器所获取的数据，利用这些信息可控制虚拟空间中物体的位置和方向。VPL 公司开发的数据手套，在手指关节处安装有光学传感器，手套周围遍布磁场跟踪器。马特（Mattel）公司生产的 PowerGlove 曾在短时间内应用于游戏系统，它用指端的压力传感器和超声位置传感器提供了手掌和手指的位置数据。
