虚拟现实技术

龙源期刊网

虚拟现实技术

作者：刘军

来源：《科技探索》2012年第11期

摘要：虚拟现实技术是许多相关学科领域交叉、集成的产物，它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制等。我们必须清醒的认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。

关键词：虚拟 传感器智能控制

1、虚拟现实的概念

虚拟现实是一种高度逼真地模拟人在现实生活中视觉、听觉、动作等行为的人机界面交互技术.它用计算机加上先进的外围设备，模拟现实世界中的一切，模拟过去发生的事件或将来可能要发生的事件.虚拟现实是目前最先进的人机交互界面，提供给用户一种临境和多感觉通道的体验，试图寻找一种最佳的人机通信方式。虚拟现实也称为人工环境，虚拟现实的出现，最初源于对一些特殊环境的需要。如对化工训练等一些带有危险性的环境的模拟，或是源于物理实验、化学试验等一些微观世界的模拟，以及对牛顿力学世界、数学环境等一些抽象概念的模拟，对一些不存在的环境的模拟，或是对昂贵的试验设备和实验环境的模拟等。虚拟现实的概念，可以从狭义和广义两方面去理解[1]。

（1）狭义的概念

根据“虚拟现实术语工作组”提交的IEEE的标准草案中的解释，虚拟现实是指用于创建人造世界的计算机系统，在这个世界里，使用者有沉浸于其中的感觉，能在其内漫游并能操纵其内的物体。这是对虚拟现实的狭义的定义，是针对沉浸式虚拟现实而言的[2]。这种虚拟现实的典型特征即为沉浸感，即使用者完全沉浸于计算机所创造的虚拟环境中，分辨不出真实与虚拟之间的差别。使用者的感觉与行动都与人在自然状态下相似。要实现这种沉浸感，必须使计算机能对人的视、听、触、嗅、味觉进行模拟，这就要有一些最新发展起来的计算机软硬件技术支持，如数字手套，数字外套等。另一特征是强大的交互性，即使用者能通过专用设备，用人类的自然技能在模拟的环境里漫游，对其中的物体进行操作。以虚拟现实目前的技术来看，使用者还是可以感觉到它是处于一个非真实的环境中。

虚拟现实技术总结

第一章

1. 虚拟现实概念、内涵及理解

概念：虚拟现实是人工构造的，由计算机生成的，存在于计算机内部的环境，用户可以通过自然的方式进入此

环境，并与环境进行交互，从而产生置身于相应真实环境的虚幻感、身临其境的感觉。

2. 虚拟现实三特征：沉浸感、交互式、构想性

3. 为何使用VR技术，有何优势，举例说明其应用

1) 立体成像显示器增强视觉立体感

2) 沉浸式体验减少外界干扰而增强代入感

3) 头部追踪技术让使用者有更强的参与感

4) 更丰富的体感操作将增强代入感

5) 虚拟现实技术可以让内容从体验上突破矩形屏幕的边界限制

4. VR技术目前存在问题 1) 3D眩晕、近视、视觉疲劳等操作不适感较重

2) 2不良内容对使用者的伤害被放大

3) 沉浸式体验放大“网络游戏成瘾”等问题

4) 全封闭式体验难以实现用户间现实的交流分享体验。

第二章

1. 用户界面设计准则

1) 性能(Performance)：效率，准确性和生产力

2) 易用性(Usability)：易于使用和学习

3) 有效性(Usefulness)：专注于任务

2. 用户界面核心功能

1) 导航(Navigation)：旅行，寻路...

2) 选择(Selection)：选择一个或多个对象

3) 操控(Manipulation)：改变系统状态

3. 多点触控技术

1) 定义：把任务分解为两方面的工作，一是同时采集多点信号，二是对每路信号的意义进行手势识别，实现

屏幕识别人的手指同时做的点击、拖拉等触控动作。

2) 多点触控实现技术？

a) LLP技术(Laser Light Plane)：主要运用红外激光设备把红外线投影到屏幕上。当屏幕被阻挡时，红

外线便会反射，而屏幕下的摄影机则会捕捉反射去向。再经系统分析，便可作出反应。

b) FTIR技术：在屏幕的夹层中加入LED光线，当用户按下屏幕时，便会使夹层的光线造成不同的反射效

虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术（Virtual Reality）已经成为当今最受瞩目的技术之一，随着VR技术在科技界的高速发展，它们的应用范围也越来越广泛，从电子游戏到电影、从教育到医疗，几乎每个领域都能够看到VR的身影，这些应用不仅仅能够带来乐趣，还能够帮助人类改善生活。

一、 在互动游戏中的应用

早在1990年代初期，虚拟现实技术已经开始广泛应用于电子游戏开发中。通过头戴式显示器、3D鼠标、追踪装置、背心和手套等设备，玩家可以身临其境地进入游戏世界中。这种沉浸式的游戏体验能够让人们深入体验游戏场景，感受到更加真实的游戏情境，使游戏成为一项更加刺激的娱乐活动。

现在，VR的游戏应用已经变得更加成熟，比如 PlayStation VR 和 Oculus Rift

等新一代VR设备就能够带给玩家更加沉浸式的游戏体验。由于VR带来的身临其境的感受，许多游戏制作公司也开始将VR技术应用于电竞游戏中，例如动作游戏、竞速游戏等。VR技术的应用可以让游戏更加有趣，同时也能够让玩家感受到更加真实的游戏场景。

二、 在教学领域的应用

虚拟现实技术在教学领域的应用导致了教育的重大转变，它不仅能够为学生提供更加有效的学习方式，也能够为教师提供更好的教学手段。虚拟实验室、艺术展览、历史场景重现等应用方式都能够让学生有更好的教学体验并更加容易地学习知识。

例如在医学领域中，虚拟现实应用正被用于对医学专业的学生进行实时的互动教学体验，使他们更加了解医疗工作的实际应用。研究也表明，通过虚拟现实技术进行教学的学生效果更好，这是因为虚拟现实技术使得学生更加沉浸入学习中，学习情境也更加逼真。 三、 在医疗领域的应用

虚拟现实技术也在医疗领域得到了广泛应用。例如VR技术可以用于治疗心理疾病，VR可以帮助患者更好地理解自己的心理状态，并自然地合理化自己的情感。此外，VR还可以用于试管婴儿胚胎观察、手术操作模拟、训练操作室等。这些应用减轻了患者和手术医师的压力，并且减少了手术风险，提高了手术的成功率。

虚拟现实（VR）需要攻克的技术难点

目前，虚拟现实（VR）技术在各领域发展得如火如荼，涵盖人机、教育、医疗、视频等各行各业，它是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉等感官的模拟。

虚拟现实（VR）的理想状态是让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物，但目前我们的技术还并没有完全达到，那么虚拟现实（VR）技术还存在哪些技术难点需要攻克呢？

大范围多目标精确实时定位

当前，虚拟现实（VR）产品的定位主要依靠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。

目前虚拟现实（VR）产品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。当前的虚拟现实系统主要为个人提供沉浸式体验，例如单个士兵作战训练。当多个士兵同时参与时，彼此希望看见队友，从而到达一种更真实的群体作战训练，这不仅需要对多个目标进行定位，还需要实现多个目标的数据共享。

“沉浸体验”和“真实感”的平衡

沉浸体验常被作为衡量虚拟现实好坏的一个重要指标，然而在当前的技术条件下，沉浸体验却成了另一个衡量指标——画面“真实感”（即清晰度）的“天敌”。想要画面变得更真实，就需要高清晰度来支持，如果清晰度提高了，那么画面就会离人眼更远，从而降低沉浸体验。

之所以会如此，主要是因为屏幕分辨率的限制。我们可以理解为，离屏幕越近，颗粒感越强，而颗粒感，通过透镜放大后进一步明显，从而使得人眼获取的实境比较模糊。如果分辨率没有高到一定程度，就无法解决这个难题。