《科技创新前沿》2016年4月第23期.pdf

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1、泰安市科技局 2 0 1 6 年 4 月 KE JI CHUANG XIN QIAN YAN 2016 科技创新前 沿 第4期 总第23期 内部参考 本期要目 虚拟现实技术 高科技带来的感知盛宴 编 者 的 话 5 科技创新前沿2016 第4期 总第23期 编 者 的 话 虚拟现实技术 高科技带来的感知盛宴 虚拟现实的概念由科学家 视觉艺术家加隆 兰尼尔 于 1985 年提出 它指的是一个由数据构成的模拟现实环境 且能被人体感知 此概念之所以流行 很大程度上归功于 数 码朋克之父 威廉 吉布森 他的作品第一次完整阐述了 67 2016 第4期 总第23期科技创新前 沿科技创新前沿2016 第4

2、期 总第23期 网络空间 与 虚拟现实 黑客帝国 里的虚拟网络世界 正是受其启发而构建的 自去年年底腾讯高调进军虚拟现实领域 阿里巴巴也 于今年 3 月宣布全面布局虚拟现实产业 并于近日推出虚拟 现实购物项目淘宝 BUY 让用户足不出户就能 逛街 国内外科技巨头纷纷抢滩布局 从硬件到市场化应用 虚拟 现实技术迅速由 虚 概念走向 现实 虚拟现实技术看似是对现实世界的虚拟和仿真 实则 能够在医学 军事航天 工业仿真 娱乐等多个产业开启新 的应用可能 这些应用不再 虚拟 而是能解决实实在在 的问题 驱动新一轮产业变革 一 虚拟现实技术简介 虚拟现实技术 VR 是仿真技术的一个重要方向 是仿 真技术

3、与计算机图形学人机接口技术 多媒体技术 传感技 术 网络技术等多种技术的集合是一门富有挑战性的交叉技 术前沿学科和研究领域 虚拟现实技术主要包括模拟环境 感知 自然技能和传感设备等方面 模拟环境是由计算机生 成的 实时动态的三维立体逼真图像 感知是指理想的 VR 应该具有一切人所具有的感知 除计算机图形技术所生成的 视觉感知外 还有听觉 触觉 力觉 运动等感知 甚至还 包括嗅觉和味觉等 也称为多感知 自然技能是指人的头部 转动 眼睛 手势 或其他人体行为动作 由计算机来处理 与参与者的动作相适应的数据 并对用户的输入作出实时响 应 并分别反馈到用户的五官 二 虚拟现实的关键技术 虚拟现实是多种

4、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 89 2016 第4期 总第23期科技创新前 沿科技创新前沿2016 第4期 总第23期 语音输入输出技术等 下面对这些技术分别加以说明 一 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

5、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 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 二 声音 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

6、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 1011 2016 第4期 总第23期科技创新前 沿科技创新前沿2016 第4期 总第23期 三 虚拟现实技术的应用领域 一 医学 VR 在医学方面的应用具有十分重要的现实意义 在 虚拟环境中 可以建立虚拟的人体模型 借助于跟踪球 HMD 感觉手套 学生可以很容易了解人体内部各器官结 构 这比现有的采用教科书的方式要有效得多 Pieper 及 Satara 等研究者

7、在 90 年代初基于两个 SGI 工作站建立了一 个虚拟外科手术训练器 用于腿部及腹部外科手术模拟 这 个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯 虚拟的外科工具 三 感觉反馈 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 四 语音 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

8、 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 1213 2016 第4期 总第23期科技创新前 沿科技创新前沿2016 第4期 总第23期 如手术刀 注射器 手术钳等 虚拟的人体模型与器官等 借助于 HMD 及感觉手套 使用者可以对虚拟的人体模型进 行手术 二 军事航天 模拟训练一直是军事与航天

9、工业中的一个重要课题 这为 VR 提供了广阔的应用前景 美国国防部高级研究计划 局自 80 年代起一直致力于研究称为 SIMNET 的虚拟战场系 统 以提供坦克协同训练 该系统可联结 200 多台模拟器 另外利用 VR 技术 可模拟零重力环境 替非标准的水下训 练宇航员的方法 三 工业仿真 虚拟现实已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工 业的各个环节 对企业提高开发效率 加强数据采集 分析 处理能力 减少决策失误 降低企业风险起到了重要的作 用 工业仿真系统不是简单的场景漫游 是真正意义上用于 指导生产的仿真系统 它结合用户业务层功能和数据库数据 组建一套完全的仿真系统 可组建 B S C S

10、 两种架构的 应用 可与企业 ERP MIS 系统无缝对接 支持 SqlServer Oracle MySql 等主流数据库 1415 2016 第4期 总第23期科技创新前 沿科技创新前沿2016 第4期 总第23期 四 娱乐 丰富的感觉能力与 3D 显示环境使得 VR 成为理想的视 频游戏工具 由于在娱乐方面对 VR 的真实感要求不是太高 故近些年来 VR 在该方面发展最为迅猛 如 Chicago 芝加 哥 开放了世界上第一台大型可供多人使用的 VR 娱乐系 统 其主题是关于 3025 年的一场未来战争 英国开发的称 为 Virtuality 的 VR 游戏系统 配有 HMD 大大增强 了

11、真实感 1992 年的一台称为 Legeal Qust 的系统由于 增加了人工智能功能 使计算机具备了自学习功能 大大增 强了趣味性及难度 使该系统获该年度 VR 产品奖 另外在 家庭娱乐方面 VR 也显示出了很好的前景 四 虚拟现实技术面临五大障碍 从现在来看 虚拟现实技术想要真正进入消费级市场 还有一段很长的路要走 包括 Oculus 公司在内 在 Oculus 内部 也对虚拟现实技术现在面对的问题进行了讨论 并且 不断的在寻找解决方法 一 没有真正进入虚拟世界的方法 包括 Oculus Rift 在内的各种虚拟现实装备依然在阻挡 着用户和虚拟世界之间的交流 这些装置盖住了我们的眼 161

12、7 2016 第4期 总第23期科技创新前 沿科技创新前沿2016 第4期 总第23期 睛 只是改变了我们的视线 但是并非涵盖了我们所有的视 野范围 本来笨手笨脚的配合鼠标和键盘使用就已经非常尴 尬 而任何尝试大范围移动的行为都会被各种线缆束缚 我们不希望用户因此而受到伤害 Oculus VR 创始 人 Palmer Luckey 表示 部分开发者曾经考虑专门创建一个房间来供虚拟现实 设备使用 但是问题似乎并不会如此简单的就被解决 在游 戏中真正身临其境的体验包括了蹲 躲避甚至是攀爬等动 作 而这些目前来看还无法给使用者带来逼真的沉浸式体验 虽然现在有一些第三方的解决方案 比如 Virtuix

13、 Omni 跑步机可以让玩家在固定的空间内安全的模拟移动 但是这些大家伙通常价格昂贵 并不是普通玩家所能承受的 负担 二 如何 输入 也是一大困扰 虚拟现实更大的挑战也许是如何在虚拟世界中与目标 进行互动 Oculus Rift 只是对用户的头部进行跟踪 但是 并不能追踪身体的其它部位 比如玩家的手部动作现在就 无法真正模拟 输入是能够给用户带来最重要和明显的 体验 如果不能模拟动作 用户总会找不到自己的手在哪 里 Luckey 表示 虚拟现实如何输入是游戏开发者和硬件制造商目前非 常大的困扰 虽然现在 Xbox 的手柄已经可以成为 PC 的控 制器 但是在实际应用中还缺乏一些经验 其它控制装

14、置 比如 Razer Hydra 和 STEM 系统 虽然都给出了很多承诺 但是依然还是不能模拟使用者的双手 目前还没有明确的方法来直到如何具体的实现虚拟现 实技术在手势上的追踪 我们都知道有些事物不太对劲 他们已经妨碍了我们与虚拟世界之间的沟通 Luckey 说 Oculus 似乎依然在开发属于自己的输入设备 但是目前还 没有太大的成果 有些人在采取措施 但是目前大家都不知道自己要做 的是什么 虽然有控制器 还有枪 但是我们需要的是一种 专门为虚拟现实设备开发的专用输入设备 并且会成为主 流 它不一定很完美 但是必须要超越一把剑 一支枪甚至 是一双手 这是非常困难的 不过模拟一只手要比枪难度

15、更 大 他表示 1819 2016 第4期 总第23期科技创新前 沿科技创新前沿2016 第4期 总第23期 三 缺乏统一的标准 虚拟现实技术目前仍处于初级阶段 毫无疑问 对于 这个平台大家都有着各自的演示方法 无论是粗糙还是漂 亮 最关键的也就是最后的几分钟 虽然许多开发者对虚拟 现实充满了热情 但是似乎大家都没有一个统一的标准 作为一个全新的平台 只有引起人们的兴趣才能取 得成功 包括实际的体验 DVD 电影 游戏机甚至是 YouTube 现在都已经变得无处不在 就因为许多人都对他 们有兴趣 同样 虚拟现实技术想要引人注目 就必须吸引 的不只是专业爱好者 尤其是对于那些年长一些或者非科技

16、爱好者来说 同样非常重要 有些技术刚开始看起来很酷 但是慢慢就变得没那么 有吸引力了 显然虚拟现实平台想要成长成参天大树 还需 要多年的时间 Luckey 表示 游戏体验也许并不需要用户 了解多么多的专业技术 只需要提供一个逼真的虚拟现实体 验即可 Luckey 指出人们通常都喜欢大多数人喜欢的事物 同样 分享才能带来更多的乐趣 现在还有许多虚拟现实技术不止关注游戏领域 比如 Oculus Rift 就为三星的 Gear VR 开发了两款应用 一款是 专门用来欣赏电影 另外一款则是 360 度全方位的照片查看 工具 这些工具的实用性非常重要 因为很多人会多次反 复使用 Oculus VR 产品副总裁 Nate Mitchell 说 这就 像是现在的智能手机 虽然它用来听音乐并不是最好效果的 那个 但是至少想听的时候随时都可以 这很方便 我尝试 过用虚拟现实装置看电影 效果真的很棒 四 容易让人感到疲劳 所有游戏开发商或电影制作公司都应该了解如何在虚 2021 2016 第4期 总第23期科技创新前 沿科技创新前沿2016 第4期 总第23期 拟现实场景中不同的使用摄像机 移动着观看和静