虚拟现实

虚拟现实

 

摘要：

虚拟现实是人类在探索自然过程中创造形成的一种勇于自然、模拟自然,进而更好地适应和利用自然的科学方法和技术.文中在分析虚拟现实全过程的基础上,给出虚拟现实问题的不同分类和一种理论表达.并抽象出虚拟现实领域的三大科学技术问题类; 在此基础上从虚拟现实中的建模方法、虚拟现实表现技术、人机交互及设备、虚拟现实开发平台与支撑环境和虚拟现实应用等几个方面论述了虚拟现实当前的主要研究目标、研究成果和发展趋势; 最后指出虚拟现实需要进一步致力研究解决的若干理论和技术问题.

关键词：虚拟现实 建模方法人机交互及设备虚拟现实开发平台与支撑环境 数字娱乐游戏中的虚拟现实

1虚拟现实技术简介

  虚拟现实技术(VirtualReality,VR)又称灵境技术，是20 世纪发展起来的一项全新的实用技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术。

虚拟现实( VirtualReality，VR) 是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。虚拟现实是人类在探索自然、认识自然过程中创造产生，逐步形成的一种用于认识自然、模拟自然，进而更好地适应和利用自然的科学方法和科学技术。

       虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的融合，是一门富有挑战性的交叉技术。

       虚拟现实技术利用计算机生成一种给人以沉浸感的虚拟环境，是一种多源信息融合交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，可借助传感头盔、数据手套等专业设备，让用户进入虚拟空间，实时感知和操作虚拟世界中的各种对象，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。当使用者进行互动位移时，电脑立即执行快速复杂的运算，并将相应精确的“3D 世界”传回产生临场感。

       虚拟现实是多种技术的综合，具体来说，包括实时三维计算机图形技术，广角立体显示技术，对互动者身体的跟踪技术，以及触力觉反馈、立体声效、网络传输、语音输入输出技术等。

 

1 虚拟现实研究领域的形成

1.1虚拟现实思想和研究目标的形成

       虚拟现实思想和研究目标的形成V R 概念、思想和研究目标的形成与相关科学技术, 特别是计算机科学技术的发展密切相关, 经历了几个阶段.19 2 9 年 Link E.A.发明了一种飞行模拟器, 使乘坐者实现了对飞行的一种感觉体验.可以说这是人类模拟仿真物理现实的初次尝试. 其后随着控制技术的不断发展, 各种仿真模拟器陆续问世.1 9 56年, Heileg M.开发了一个摩托车仿真器Sensorama,具有三维显示及立体声效果,并能产生振动感觉.他在1 9 6 2 年的“ Sensorama Simulator ”专利已具有一定的VR技术的思想.电子计算技术的发展和计算机的小型化, 推动了仿真技术的发展, 逐步形成了计算机仿真科学技术学科.1 9 6 5 年, 计算机图形学的重要奠基人Sutherland 博士发表了一篇短文“ The ultimate display” ,以其敏锐的洞察力和丰富的想象力描绘了一种新的显示技术.他设想在这种显示技术支持下, 观察者可以直接沉浸在计算机控制的虚拟环境之中, 就如同日常生活在真实世界一样.同时, 观察者还能以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互, 如触摸感知和控制虚拟对象等.Sutherland 的文章从计算机显示和人机交互的角度提出了模拟现实世界的思想, 推动了计算机图形图像技术的发展, 并启发了头盔显示器、数据手套等新型人机交互设备的研究.

       20世纪90 年代以后, 随着计算机技术与高性能计算、人机交互技术与设备、计算机网络与通信等科学技术领域的突破和高速发展, 以及军事演练、航空航天、复杂设备研制等重要应用领域的巨大需求,VR技术进入了快速发展时期.

 

1.2从系统功能角度的分类

       从系统的功能和作用, 实际上也就是从应用的角度来看,V R 系统可分为训练演练、规划设计和展示娱乐等几类.

       训练演练类系统广泛应用于各种危险环境(如核设施、水下设施)、作业对象难以获得(如医疗手术、航天器维修), 以及耗费巨大(如军事演练) 的行业领域的技术业务训练和演练; 设计规划类系统用于新建设施、设备的演示验证, 可以大幅度降低设计成本、缩短设计周期, 提高设计的合理性, 如城市、社区、楼宇的规划设计、设备产品的虚拟设计与虚拟组装等; 展示娱乐类系统将现实世界或假想世界场景数字化, 供用户逼真地观赏体验, 如虚拟景观、数字博物馆, 以及各种游戏、影视制作等.

1.3从沉浸式体验角度的分类

       从沉浸式体验角度,VR系统有非交互式体验、人一虚拟环境交互式体验和群体- 虚拟环境交互式体验等几类.这种角度强调用户与虚拟环境的交互.对于非交互式体验来说, 用户对虚拟环境的体验是被动的,体验的内容完全是规划好的.有的系统可以由用户在一定程度上选择视点, 引导虚拟场景数据的调度, 但不发生实质性交互行为, 如场景漫游、四维影院等;在人一虚拟环境交互式体验系统中, 用户可以通过交互设备(如数据手套、数字兵器、数字手术刀等) 与虚拟环境进行交互, 虚拟环境中的景物对交互行为做出实时响应, 使用户能感受到虚拟环境的变化, 从而产生对相应现实世界的体验, 如飞行模拟器、单兵训练环境等; 群体- 虚拟环境交互式体验系统是人一虚拟环境交互式体验系统的多机化、网络化.多个或群体用户可以共享一个虚拟环境, 同时与包括用户化身在内的虚拟环境进行交互, 感受到和虚拟环境及其他用户相互作用的体验, 如军事仿真演练、网上交互游戏等.

2

.

2 模型数据类型和建模方法分类

2.1 虚拟现实模型数据来源与类型

       建模首先涉及模型数据.由于现实世界的对象、状态千变万化, 因此模型数据也种类繁多. 但从数据来源说, 模型数据则主要有实际测量、数学生成和人工构造三大类.

       实际测量: 通过二维或三维扫描仪、摄像机、运动捕获设备、数据衣、数据手套、以及各类专业数据采集设备(如CT、B超、核磁共振、卫星遥感等) 或人工测量所获得的数据.

       数学生成: 通过实验分析、物理仿真、归纳抽象等形成数学模型, 如物理公式、模拟算法、公理系统等. 数学模型的计算可以生成模型数据, 例如根据物体运动方程获得物体的位置数据.

       人工构造: 人工或人工借助建模软件(如CRE-ATOR,3DStudio, AutoCAD ) 通过假设、想象生成模型数据, 如物体的3D模型、动漫、影视制作等.实际建模过程中, 通常根据被模拟的现实世界对象的复杂性以及模型逼真期望程度, 采用多种方式相结合形成模型数据.在VR系统中, 根据所表现的现实世界对象的不同方面, 也可将模型数据分为空间结构数据、物理属性、行为属性、动力及运动数据等几类

 

2.2 建模方法的分类

       VR建模方法与所要模拟的对象类有关, 也与应用领域密切相关, 针对所要模拟对象的不同方面, 可将建模方法分为景物外观建模、基于物理的建模、行为建模和虚实融合建模等.

       景物外观建模针对景物的外观,主要包括基于几何、图像和材质光照信息的建模方法. 景物外观模型用干表现虚拟对象的空间结构和外观, 包括点云模型、网格模型、体素模型等, 主要有基于深度图、基于图像、基于体的建模方法, 以及物体表面光照模型等.

       物理建模在于体现对象的物理特性, 使得虚拟环境中的动、静态景物更加逼真,主要涉及物体的动力学、碰撞、变形等物理过程的模拟; 根据建模对象的不同, 基干物理的建模方法有针对刚体、柔性物体、不定形物和人体运动的建模方法.此外, 为了模拟某些自然场景和随机变化, 人们还在基于物理的建模中采用粒子系统和过程方法.

       目前VR中的行为建模主要指自治实体的建模, 涉及人工智能等学科领域, 计算机生成兵力C G F (computer generated forces ) 是行为建模在VR中的一个典型应用; VR中的行为建模是虚拟环境中自治对象研究的主要内容, 开始于虚拟战场中计算机生成兵力(CGF)的研究.按照美国国防部的定义, 行为建模是对“军事仿真中需要表示的人的行为或者表现进行建模” .行为建模技术和C G F 在ModSAF, STOW, WARSIM2000等分布式虚拟战场环境中得到了广泛的应用, 并被用于美国军方利用v R技术开发的游戏, 如F S C (full spectrum command)、F SW (full spectrumwarrior ) 等.随着VR研究与应用的发展, 行为建模已拓展到公共安全、教育、文化娱乐等众多的领域, 如应急仿真规划系统. 近年来,V R 应用对自治对象行为的智能水平提出了越来越高的需求, 新的行为建模方法也不断涌现, 行为建模成为V R 研究中一个重要方面. 但这一领域总体上属干人工智能的研究范畴, 其难度相当大, 进展也较缓慢, 我们这里只作简要介绍.

       虚实融合建模是一类重要的建模方法, 可以使计算机生成的虚拟景物与现实世界的真实环境自然地融为一体.从而有效地提高VR建模的效率、灵活性和逼真性.虚实融合建模是目前增强现实的主要研究内容.VR表现技术是VR领域的重要研究内容之一, 它将数字空间内的各种虚拟景物模型通过不同的VR表现方法、算法渲染在表现设备上, 以沉浸方式呈现给用户, 属于第1 节给出的VR8元组中的函数Show.根据Gibson J.J.提出的概念模型, 人的感知系统可划分为视觉、听觉、触觉、嗅/ 味觉和方向感等5部分, 这就要求VR表现技术不仅要给用户提供逼真的视觉感受, 还要在听觉、力/触觉和嗅/味觉方面给出全方位的逼真表现.

3. 虚拟现实的交互方式及其设备

       VR人机交互是用户在虚拟环境中操作各种虚拟对象、获得逼真感知的必要条件, 主要涉及人与虚拟环境之间互相作用和互相影响的信息交换方式与设备.这部分内容很大程度上涉及第1 节所述V R S元组中的函数do.

       VR 人机交互与计算机系统的人机交互具有十分密切的关系, 既有一些共同的方式, 也有明显的独特之处. 计算机系统的人机交互强调人与计算机之间的信息传递, 而VR的人机交互强调人与虚拟环境之间的感知传递.逼真虚拟场景显示、真实感触/ 力觉感知、三维空间方位跟踪、交互行为信息交换等已经成为VR系统中人机交互技术的重要内容. 相对而言,VR的人机交互要求更高的自然性和真实感.

3.1场景显示方式及其设备

       研究表明, 人获取的信息70 %、80 % 来自视觉, 因此视觉系统是V R 最重要的感知通道. 同时, 虚拟场景的可感知也是用户在虚拟环境中进行人机交互的先决条件, 所以场景显示方式及其设备是v R 系统中人机交互的基本组成部分.设备主要包含头盔式、桌面式、投影式、手持式和自由立体显示方式及其设备.

 

4 虚拟现实开发平台与支撑环境

       VR 技术产生以后, 很快就在军事演练、航空航天和工业设计等几个领域得到应用, 开发了一些成功的应用系统.20 世纪90 年代初, 在巨大需求的拉动和应用部门的推动下开始出现各种类型的V R 系统开发工具, 这些开发工具对降低V R 系统开发门槛、提高开发效率起到了重要作用, 推动了V R 应用的发展.V R 系统开发工具种类繁多, 有的支持V R 应用系统不同组成模块的开发, 有的支持特定领域V R 应用系统的开发.开发工具主要有建模工具、绘制工具、分布式开发平台和其他一些专业化开发工具.

5 虚拟现实应用

5.1 主要应用方向

       VR 科学技术领域具有两个方面的结合性特点,一是由多学科交叉结合形成, 在多学科交叉结合中创新、发展.V R 在建模、绘制、人机交互等方面的研究需要综合数学、物理、电子学、控制学、计算机科学、心理学、人工智能等不同学科的研究成果; 二是具有很强的应用性, 与应用领域的特点、需求密切结合.V R 应用干不同的行业和领域时, 要结合该行业、领域的特点, 研究与不同领域应用模型相结合的方法和技术.应用是V R 技术发展的主要推动力.

       任何一种科学技术都有其产生的背景, 也都有其真正适用、能够发挥作用的领域.V R 的本质作用就是“以虚代实” 、“ 以科学计算代实际实验” , 因此, 有专家认为V R 对工程应用的作用就如同数学对干物理的作用.

       VR 通过沉浸、交互和构想的31 特性能够高精度地对现实世界或假想世界的对象进行模拟与表现,辅助用户进行各种分析, 从而为解决面临的复杂问题提供了一种新的有效手段.因此V R 从产生之初就受到许多行业, 特别是一些需要消耗大量人、财、物, 以及具有危险性的应用领域的高度关注, 如在军事、航空航天等领域研制了分布式虚拟战场环境和哈勃望远镜的维修训练系统等, 并取得成功, 令人瞩目.日前, 除上述领域外,V R 被广泛应用于公共安全、工业设计、医学、规划、交通和文化教育等行业和部门, 开发建立了多种类型的应用系统, 产生了巨大的经济和社会效益.

       一般来说,V R 在不同领域的应用主要集中在培训与演练、规划与设计、展示与娱乐3 个方面. 其中, 培训与演练类系统的特点是对现实世界进行建模, 形成虚拟环境以代替真实的训练环境, 操作人员可以参与到这一虚拟环境中进行反复的操作训练和协同工作, 达到与真实环境中训练相近的效果; 规划与设计类系统的特点是对现实中尚不存在的对象和尚未发生的现象进行逼真模拟、预测和评价, 从而使计划、设计更加科学合理; 展示与娱乐类系统的特点是将真实或虚构的事物进行模拟, 通过传媒和人们的参与达到观赏和娱乐的目的.

5.2 典型领域及系统

       上述3 类VR应用在很多领域都有较为成功的典型系统, 特别是在军事、医学、工业和教育文化等几个领域.

 

6 数字娱乐游戏中的虚拟现实

6.1数字娱乐游戏的特征

       不论传统游戏或是数字娱乐游戏，都具备娱乐性、交互性、可玩性、公平性与玩家满足感等五大特征要素。其中娱乐性是游戏存在的核心本质，交互性与可玩性是游戏吸引玩家的重要元素，公平性是维持游戏常青的魅力所在，玩家满足感代表了玩家对游戏的体验结果与评价体制。毫无疑问，数字娱乐游戏的各种征都对它自身的发展方向作出了明确的定义——具备时代发展的娱乐性、便捷人性的操控方式、全方位信息的可玩体验、仿真世界的平衡体系、最真实最贴切的视听触感官效果。这样的指向让数字娱乐游戏随着科技的进步不断的靠近玩家的追求，除少数纯艺术性质的风格化游戏外，几乎所有的数字娱乐游戏都向着虚拟现实应用这一宏伟的目标进发。由3D 引擎的空间虚拟、仿真人性化操控设备、全息视听表达、物理感知反馈功能、角色扮演的混合关联等极大程度地提升了游戏的物理体验与玩家满足感，同时也促进了数字娱乐游戏中的虚拟现实技术的成熟与完善。

6.2数字娱乐游戏中虚拟现实的物理互动体验

       虚拟现实在数字娱乐游戏中的应用，主要体现在技术上的变革与创新。随着3D 游戏引擎技术的飞跃，从《Doom1》的3D 模拟现实射击电脑游戏诞生到现在《Doom4》，虚拟现实的3D 视听感受一直是玩家热忱的追捧。此外，街机版《鬼屋4》力反馈仿真枪械，《悍马部队》仿真车载运动模拟战斗，虚拟太空大战的驾驶仓《太空大众》与《实况点球》中现实物理皮球与虚拟世界的无缝链接，这些新型的数字娱乐游戏及设备让玩家在虚拟现实技术帮助下过足了混合现实射击的瘾头。《滑雪》利用真实的滑雪器具联接数字娱乐游戏中物理力学反馈系统，以沉浸式的环绕空间屏幕模拟全真的竞速比赛体验；《模拟飞行》则是虚拟现实一体机，基于航空教学与互动娱乐相结合的大型数字游戏设备，打造了全封闭的空间，接近真实的驾驶操纵平台，真假难辨的视窗效果与音效呈现，让互动参与者忘身于游戏之中，自由翱翔在数字虚拟的天空。英国华威大学正在研发的《虚拟茧》（Virtual Cocoon）赋予虚拟世界感官特色的听觉、视觉、嗅觉，甚至味觉身历其境的真实感，让配戴者坐在沙发上就能真切游历世界的山川名胜。同时，藉由该设备，使用者能亲切招呼世界彼端的亲友，宛如大伙同处一室。虚拟现实技术的成熟与应用让许许多多数字娱乐游戏中的梦想变成现实，让玩家在数字娱乐游戏的物理体验中获得所追求的身临其境、挥洒自如。

6.3数字娱乐游戏中虚拟现实互动体验的情感归属

       虚拟现实艺术往往体现在与数字娱乐游戏的内容主题构建上的密切关联，不同的游戏主题与游戏风格展示出不同的互动方式与视听效果，这也是游戏娱乐性的魅力所在。数字娱乐设计师在不断地突破数字娱乐游戏与虚拟现实之间的阻遏与间隙，在构建数字游戏的虚拟世界过程中，如何将游戏中的情感构成发掘到极致成为了关键，这一关键将直接影响到整个游戏给予玩家的满足感与归属感。 Immerz（领英）公司开发的《KOR-FX》背心不光让玩家在游戏时获取枪械射击回馈的后座力快感，它能够模拟到游戏过程中被子弹击中的强烈碰撞的效果，在身感痛楚的同时带给玩家对战争情感的伤痛与心灵的震撼，这种特殊的体验让玩家欲罢不能。《模拟飞行》是代表游戏角色代入感发挥至极的一个优秀案例，玩家往往因为太醉心于虚拟游戏世界中“太真实”的互动体验，而忘却了现实生活的存在，甚至废寝忘食。在数字娱乐游戏的人性化设计上，设计师必须考虑如何让玩家迅速全身心地投入虚拟现实的数字世界中的同时，又能科学地将玩家亲切地唤回现实的世界，还能体会到游戏中传达的价值观念与教育意义。虚拟现实艺术的任务就在于不仅仅是促进和放大虚拟现实技术的应用与完美，更体现于对美好生活的建造，对人性无微不至的关怀，这也是我们对数字娱乐游戏中虚拟现实作用力的不断憧憬与期盼。在新型Project Morpheus 虚拟现实设备及其相关数字娱乐游戏中，让我们拭目以待。

6.4展望数字娱乐游戏的未来

       数字娱乐游戏的未来将会是一个虚拟现实的世界。由数字娱乐游戏的特征我们可以清晰看出，玩家对数字娱乐游戏中视、听、触感官体验的追求是接近现实世界的。为打造玩家理想中世界，数字娱乐游戏在视听显示上经历了像素点、多位色块、全真2D、2.5D、3D、4D 动感空间、沉浸式全息体验的发展历程，在操控方式上从单点开关、4 方位摇杆、6 键手柄、多通道遥控器、仿真操作器及一体机、体感技术操控、甚至是全息物理反馈体验操作系统等。无一例外，数字娱乐游戏的发展步伐正一步步靠向真实的时空体验。

       随着科学技术的发展，虚拟现实应用的逐渐成熟，数字娱乐游戏内容主题与其相应操纵方式设计的匹配对接，所缔造的全息虚拟游戏世界将满足玩家对数字娱乐游戏全方位的视听触物理感官体验；在高新技术的支持与全息体验追求的驱动下，数字娱乐设计师将面临更大的挑战，他们不仅仅需要适应和发挥新技术带来的力量、速度及精度，更要整合优化虚拟现实在游戏应用的作用，更重要的是如何将艺术与技术相结合，游戏中的艺术成分将引领玩家走入游戏情感世界并能最大程度提升游戏的互动性与娱乐性。

       不久的将来，虚拟现实技术下的数字娱乐游戏将走进生活、走进家庭娱乐、走进我们日常的手持娱乐终端。在良性的引导与开发前提下，寓娱乐性、知识性、教育性于一体，服务于玩家、服务于家庭、服务于社区、服务于人类。

6.5结论

       综上，虚拟现实在数字娱乐游戏中的应用，沉浸式的体验方式在视、听、触等生理感官上比传统的数字娱乐游戏更能满足玩家对游戏物理互动体验的需求，从而大大地提升了游戏的娱乐性与可玩性；在玩家遨游在游戏的虚拟空间，操作所指代的角色进行游戏相关活动的过程中，给予了玩家在游戏中角色情感所牵引的代入感心理沉浸感享受。这些有利的现象，为数字娱乐游戏的虚拟世界的构建提供的必要的条件，让数字娱乐游戏服务于社会、教育于社会，指引了一个为餍足玩家身心需求而创新完善的虚拟现实游戏发展的光明未来。

      我们作为玩家，应该帮助与支持虚拟现实在数字娱乐游戏中的应用，并在游戏体验评测过程中发现问题并提出建设性的改进提议；作为一名游戏设计研究的工作者与教育实践者，应当立足于虚拟现实应用于数字娱乐游戏的发展现状，发现问题、提出问题、分析问题、解决问题，改良和修复在数字娱乐游戏中存在的不足与缺陷，设计和研发新型的虚拟现实技术、优化的虚拟现实应用方式，构建完善的检验虚拟现实应用的数字娱乐游戏测评机制。通过不断地研究沉淀，反复地尝试创新，并持续的培养从事于该领域的尖端人才，为数字娱乐游戏编织更具特色、更加完美的虚拟互动世界。

7 需要进一步研究的科学问题

       经过多年发展,V R 的研究取得了重要进展, 特别是一些成功应用范例令人信服地说明了v R 独特的、无可替代的地位和作用. 但是, 无论从国际上v R研究现状和发展趋势分析, 还是我们自己多年来在这一领域的研究实践, 都突出表明这一科学技术领域仍存在一系列有待解决的根本性理论问题和关键技术问题, 这些间题的任何突破都会导致V R 技术的巨大发展及实用化程度的大幅度提高.

 

问题1 可建模、模型复杂性与模型可信性.

       是否现实世界的所有事物都是可以模型化的, 或者说可以数字化建模的? 这个问题与可计算性和模型的复杂性有关, 与模型逼近现实的期望程度也有关. 例如, 完全真实的海浪是难以建模的, 但简化的概念性海浪模型是可以建立的; 完全符合现实的气象模型是难以建立的, 但是简化的气象模型总是可以建立的.问题在于简化以后的模型在多大程度上还可用、可信.因此, 可建模、模型复杂性、模型简化与模型可信性的评价、度量, 以及我们应该如何平衡可建模性和对模型的期望值等是需要研究的重要理论问题.

 

问题2 图像的相似性测度与图像质量评价.

       图像相似性是模型相似性问题的一个典型代表,是图像识别、图像检索等领域的一个基本问题, 也是V R 中的重要问题. 比较两张图像的相似性程度, 或者评价一张图像的失真程度对人来说并不太难, 但对计算机来说是一个至今没有很好解决的问题.原因之一就在于难以找到通用有效的图像相似性定量测度. 与此相关, 是否可以找到一种评价图像质量(与现实图像近似程度) 的客观定量方法也是尚待解决的问题.

 

问题3 复杂逼真虚拟环境的构造与海量数据管理.

       目前虚拟环境的构造方法有数学建模和复制现实两大类, 它们具有各自的优点和固有的局限, 一般来说, 前者三维特性突出, 后者逼真程度高. 随着V R 应用的不断深化, 对虚拟环境复杂性和逼真性的要求也越来越高. 解决这一问题是V R建模研究重要任务.这一方面有赖计算机及专用处理部件性能的进一步提高; 研制精度、效率更高、甚至智能化的复制设备; 开发更完善、自动化程度更高的建模工具;同时。寻找尽可能结合上述两类方法、体现两类方法优点的虚拟环境构造方法也是解决这一问题的一条途径.复杂逼真虚拟环境拥有集中或分布存储的海量数据, 这些海量数据的有效调度、检索和维护是具有挑战性的问题.

 

问题4 虚拟实体的物理与行为建模.

       虚拟实体的建模涉及几何、物理特性和行为等几个方面.

       几何建模, 无论是理论、方法研究还是建模工具开发, 由干起步时间较早, 问题难度相对较低,因此比较成熟.

       物理特性建模, 目前主要集中在虚拟实体的运动学和动力学特性, 如果要进一步提高逼真度, 就必须考虑虚拟实体的材料、摩擦力、弹塑性和粘稠性等物理特性.物理特性的计算模型、高效算法以及有效的表现方式和方法是需要研究解决的三大问题.由于人类认识世界的无限性, 因此可以说物理特性建模是V R 领域中的一个永恒的方向.

       在行为建模方面, 计算机生成实体及其形成的聚合类实体是重要的研究内容.聚合类实体突出了集团性实体的共性和集团功能, 减少了虚拟实体的开发量和复杂性. 虚拟实体行为建模的核心问题是人工智能问题.虽然目前人工智能研究进展艰难, 但是由于目前虚拟实体行为建模引入和借鉴人工智能研究成果的程度还比较低, 因此如果能将人工智能已有的研究成果创造性地应用于虚拟实体行为建模, 无疑会有效提高虚拟实体行为的智能水平.

 

问题5 虚拟景物和真实景物的融合.

       虚拟景物和真实景物的融合,包括在动、静态真实场景画面中融入虚拟景物和在虚拟环境中融入动、静态真实景物.增强现实技术的研究目标就是要解决这一问题.这一方向有数据融合、模型融合等许多理论问题和虚实景物的准确三维注册、虚实景物的空间遮挡关系、虚实光照效果的融合处理等关键技术问题需要突破, 一系列专门工具和支撑平台也有待开发.

 

问题6 人机交互的机制与沉浸感.

       用户对虚拟环境体验全过程中的操作、信息发布、信息获取与传递等要与在真实环境中的感觉相似, 也就是具有沉浸感, 这与人机交互的机制密切相关. 人机交互机制涉及人机交互方式、人机交互设备和人机交互信息处理等几个方面. 人机交互的自然化和智能化是这一领域追求的目标今后的发展, 一是提高现有人机设备的有效性、精确性; 二是增加用户交互的移动性, 使人机交互更为适人化, 如借助可穿戴计算机、个人数字助理与虚实融合环境交互; 三是探索基于新概念的人机交互设备, 如基于全息信息的立体显示等; 四是提高人机交互的智能水平, 如机器的识别理解等. 这些问题研究的突破将进一步提高人机交互的自然化和沉浸感.人机交互的沉浸感与虚拟环境的逼真性和实时性密切相关, 这类似于算法的时间和空间效率, 具有一定的对偶性, 或者说两者测度的乘积在一定水平就是一个常量.这时就需要根据实际需求对两者进行权衡.

 

问题7 分布式虚拟现实的实时性与一致性.

       从计算机网络设施的角度来说,分布式V R 有基于高速专用网络和基于两类 I tn re en t . 前者一般用于军事仿真训练和演练等大规模专门性质的虚拟现实应用, 后者适合个人性质的随机的虚拟现实应用, 如远程教育、娱乐等.两者面临的问题有所不同, 但共同问题是分布式V R 的实时性和分布式虚拟环境中的时间一致性、事件一致性和空间一致性. 产生时间和事件一致性问题的根本原因是网络所固有的、长度随机的时间延迟. 这一间题能否彻底解决尚无明确答案.空间一致性问题, 主要是对诸如动态地形变化等空间改变的一致性维护.对这些问题提出了一些不同的解决方案, 但仍需进一步研究、实验和分析.

 

问题8  V R 应用系统的可组装构建和VR 平台的开发策略.

       通过积木化可重用部件组装、构建V R 应用系统是提高系统开发效率和系统可靠性的一种途径. 为此关于可组装、可重用软件的理论, 以及可重用部件、可组装体系结构、标准化接口等是需要深入研究的问题.将不同领域V R 系统开发与应用所需要的公共服务和不同V R 系统的共性部分尽可能抽象出来, 建立公共服务平台、工具给予支撑, 是提高分布式v R应用系统的可重用性和开发效率的有效途径. 这些这些平台、工具涉及V R 系统开发、应用的各个阶段和全生命周期, 涉及不同类型的系统用户, 种类繁多. 需选确定先进的开发策略、方法和框架, 研制具有自主知识产权的大型开发支撑平台, 如图形平台、RT I 等.

 

问题9  V R 系统性能和V R 应用结果的评价.

       针对V R系统的各种性能, 如逼真性、交互性、实时性,特别是V R 系统应用的可信度等, 建立合理的评价指标, 确定合适的评价标准, 是推动虚拟现实技术进步和应用推广的重要因素.目前这方面的研究相对较少, 问题本身也具有难度, 大多数性能难以定量描述. 由于V R科学技术发展和应用的需要, 应当结合具体V R技术的开发, 尽快开展这一方向的研究.在研究开发V R 应用系统的同时, 也需要开展对各种V R 系统应用结果评价方法的研究, 开发支持各种应用指标的评价工具.合理的应用指标与结果评价度量方法将有助于更好地开发满足需求的V R 应用系统, 并在系统开发早期及时预测和控制系统的开发过程.

 

8 结束语

      过去的10年,V R 在理论研究、技术创新、系统开发和应用推广方面都取得重要进展, 显示出巨大的发展潜力和广阔的应用前景, 我国在这一科技领域也进入了发展的新阶段,V R 技术已经成为我国信息科学技术发展的国家目标.同时V R 研究领域仍然存在大量有待解决的问题和难题, 而且还在不断产生新的理论和关键技术问题, 这些间题的突破会导致V R技术的更大发展.今后的10 年将是这些间题逐步解决和突破的10 年, 也将是v R 在我国推广应用, 产生巨大经济、社会效益的10 年.V R 是一个充满活力和挑战的科学技术领域, 希望越来越多的计算机科学工作者加人V R 研究开发队伍, 为我国在这一重要的科学技术领域达到国际领先水平作出贡献.

 

参考文献

1 虚拟现实软件研究_赵蔚

2谈虚拟现实在数字娱乐游戏中的应用_梁羡荣

3 虚拟现实技术的最新发展与展望_陈浩磊

4 虚拟现实综述_赵沁平