VR技术(虚拟现实技术)是什么?

创闻科学2020-11-17 12:29:37

虚拟现实技术(VR)是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机图形技术、人工智能、跟踪技术、仿真技术等于一体,其基本实现方式是计算机模拟一个三维空间的虚拟环境,让体验者在听觉视觉等多感知方面身临其境,从而给体验者带来环境沉浸感。随着社会科技的不断进步,各行各业对VR技术的需求日益旺盛,可以说,21世纪是VR技术的年代。本文将从VR技术的发展历程,关键技术,VR的显示技术及VR的应用几个方面来介绍VR技术。

引言

虚拟现实技术(VR)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统,它利用计算机生成一种模拟环境,使用户沉浸到该环境中。虚拟现实技术就是利用现实生活中的数据,通过计算机技术产生的电子信号,将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象,这些现象可以是现实中真真切切的物体,也可以是我们肉眼所看不到的物质,通过三维模型表现出来。因为这些现象不是我们直接所能看到的,而是通过计算机技术模拟出来的现实中的世界,故称为虚拟现实。

近年来发展迅速,随着 5G 高速传输、物联网、人工智能、柔性显示、移动式高性能图形计算卡等技术的出现,为 VR 技术进入商用奠定了基础。目前,基于虚拟现实技术的应用和设备已经开始出现在教育、传媒、娱乐、医疗、遗产保护等诸多领域。

发展历程

虚拟现实的发展历程经历了四个阶段:

1)第一阶段(1963 年以前)有声形动态的模拟是蕴涵虚拟现实思想的阶段。

1929 年,Edward Link 设计出用于训练飞行员的模拟器;1956年,Morton Heilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama。

图 2.1 Sensorama

2)第二阶段(1963—1972)虚拟现实萌芽阶段。

1965 年,Ivan Sutherland 发表论文“UltimateDisplay”(终极的显示);1966 年问世的 GAF ViewMaster 是如今简易 VR 眼镜的原型;1968 年,Ivan Sutherland 研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器(HMD);1972 年,NolanBushell 开发出第一个交互式电子游戏Pong。

图2.2 GAF Viewmaster

3)第三阶段(1973—1989)虚拟现实概念的产生和理论初步形成阶段。

1977 年,Dan Sandin 等研制出数据手套 SayreGlove;1984年,NASA AMES 研究中心开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器;1984 年,VPL 公司的 JaronLanier 首次提出“虚拟现实”的概念;1987 年,JimHumphries 设计了双目全方位监视器(BOOM)的最早原型。

4)第四阶段(1990 年至今)虚拟现实理论进一步的完善和应用阶段。

1990年,提出VR技术包括三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术;VPL公司开发出第一套传感手套“DataGloves”,第一套 HMD“EyePhoncs”;21 世纪以来,VR 技术高速发展,软件开发系统不断完善,有代表性的如MultiGen Ve⁃ga、Open Scene Graph、Virtools等。

VR关键技术

虚拟现实系统提供了一种先进的人机界面,通过为用户提供视觉、听觉、触觉等多种直观而自然的实时感知交互的方法和手段,最大程度地方便了用户的操作,从而减轻了用户的负担、提高了系统的工作效率。虚拟现实的关键技术主要包括:

1)自然交互

VR技术中强调自然交互性,即人处在虚拟世界中,与虚拟世界进行交互,甚至意识不到计算机的存在,即在计算机系统提供的虚拟现实空间中,人可以通过各种感觉方式直接发生交互,这就是虚拟环境下的自然交互技术。目前,与虚拟现实技术中的其他技术相比,这种自然交互技术相对不太成熟。

2)高带宽

现在计算机输出的内容已经可以快速、连续地显示彩色图像,其信息量非常大。而人们的输入却还是使用键盘一个又一个地敲击,虚拟现实技术则可以利用语言、图像及姿势等的输入和理解进行快速大批量的信息输入。

3)智能化

精确化的交互是一种完全说明用户交互目的的交互方式,键盘和鼠标均需要用户的精确的输入。但是,人们的动作或思维往往并不是很准确,而计算机应该理解人的要求,甚至于纠正人的错误,因此虚拟现实系统智能化的界面将是一个重要的发展方向。

4)高度模拟仿真

通过交互作用表示事物的现实性,传统的计算机应用方式中,人机交互的媒介是用符号表示,是对现实的抽象代替。而虚拟现实技术则可以是模拟甚至想象和虚构,他能使用户感到不是在使用计算机,而是在直接与应用对象打交道。

VR技术的显示技术

基本原理

虚拟现实技术以创建虚拟世界为成像机制的计算机仿真系统,其模拟环境是通过多源信息融合,并达到三维动态信息交互的体验模式,能够刺激用户沉浸于虚拟环境之中。在其成像机制的原理中并未脱离人为感知物体形态、距离等关键信息的基本要素,包括静态/动态图像信息、生理上的距离线索,以及双目视差距离的对比信息。

人类视觉系统在双目位置所产生的差异性识别机制会出现对于同一事物的特征提取,而大脑也会针对该物体产生两部分的景象融合,并在逐步处理相应的视觉信息后,最终形成对于该事物的立体效果感知与识别。因此,进入双目的视觉差激发了对于二维图像信息的立体化引导,并形成对于虚拟空间的视觉认知。这样的视觉识别效果支持了虚拟场景的构建,是VR虚拟现实技术能够显示三维立体信息的基础原理。因此,利用这一原理并借助眼部追踪器便可以实现虚拟化场景的引导,并产生高度的沉浸效果。

实现方法

4.2.1 立体镜法

立体镜法是构建虚拟场景时最为简易的设计路径,通过两个透镜构成左右双眼不同的相片,进而形成虚拟影像放大。对景物采用两台摄影机共同拍摄的方式能拓宽立体场景的原始数据采集,将镜头光轴设置为65mm的间距之后,用户可以在观看两个对立影像信息时,从中分辨三维立体图像。虽然该方法并不会形成色差,对于景物虚拟成像的色彩显示效果更为突出,但需要借助电子线路完成虚拟景象的呈现且制造较为困难,因此应用并不普及。

4.2.2 色差法

色差法是将左眼图像设置为红色,右眼图像设置为蓝色,作为左眼的互补色,将2个颜色的图像重叠之后放映于屏幕上,便能形成黑白色的立体影像。类似方法是早期立体投影的主要设计方案,其预处理的工作量较大,更适用于光学显示的静止画面。

4.2.3 偏振光法

偏振光滤光片可以梳理来自不同方向的光波,剔除其中所存在的干扰项,令剩余部分更加接近于规定方向的成像条件。在2块偏振方向中设置相同的滤光片,便可以重新回归光路,并得到阻光效果,达到立体虚拟成像的作用。

4.2.4 光栅法

光栅法也被称之为柱镜法,其成像原理是将左右眼观察到的两个影像划分为垂直像素,再将这些像素不断交错汇集成集合画面。该画面所呈现的画面实质上是由多组线条汇集而成,并在每一个线条中组建画面集合,因此,才能呈现立体感突出的虚拟空间。

4.2.5激光全息投影法

全息投影技术的英文全称为:front-projected holographic display,是目前应用最为广泛的虚拟成像技术之一,利用光学衍射与干涉的基础原进行记录后,可以再现物体的真实三维图像。全息投影记录器的镜片有别于照相机镜片,每道光束在抵达目标之前,都会通过一个镜片。物体光束照射在物体上,光会反射与折射,部分光束会射往全息相片的方向,因此,可以收集到虚拟立体环境的关键像素。

VR技术应用

VR虚拟现实软件已经在不同行业上有了各种的商用解决方案与应用实例。通过使用VR将整个设计环节优化到了最佳的水平,同时在各类展示场景中,VR也看起来非常的现代及与时俱进。目前VR的应用涵盖了包括汽车、建筑、航天、军事、科研与教育等诸多行业。

在汽车行业中的应用

在汽车行业里竞争一向非常的激烈,想要保持行业领先,必须在研发时间上与制造成本上超越对手。汽车行业在虚拟现实技术应用中一直是一个先行者的角色,这是因为在汽车研发过程中VR可以起到非常关键的作用。

例如在真实环境下虚拟驾驶汽车,进行可视性和可达性分析,在虚拟环境进行虚拟拆装来验证设计的可执行性,与整个设计团队共同协作进行数字项目验收。还可以在设计创意环节里为汽车调配不同的轮子、仪表盘、色调、后视镜等。 最新一代的技术甚至可以虚拟模拟驾驶时所出现的问题。

在建筑行业中的应用

建筑与建筑设计行业需要非常灵活的适应各种高强度的信息互换,来确保项目的交付可以达到预期的效果。我们通常会把建筑业分为:居住型建筑、非居住型建筑、公共枢纽设施、以及工业类建筑。

在整个施工项目中,沟通起了决定性的作用,好的沟通可以避免非常多的错误与误差的发生。VR技术可以让合作团队在虚拟的环境中介绍,解释,以及更替3d设计,并在共同的一个虚拟环境中协同审核,足以让沟通时的误差降低至最低的水平。

在军事国防行业中的应用

在国防领域,实时的在虚拟环境下模拟任务可以确保任务的执行并最大化的避免未知的突发状况。 不同的海陆空任务都可以在3D模型的VR环境里得到沉浸式的模拟。 通过模拟调整人力资源、通讯资源、雷达等物资都可以在VR下实现。

而在国防军事中,VR的应用可以最大化的减少风险,与人员伤亡。并提高各种虚拟场景式人员的反应与应变速度。

在医学行业的应用

医学专家们利用计算机,在虚拟空间中模拟出人体组织和器官,让学生在其中进行模拟操作,并且能让学生感受到手术刀切入人体肌肉组织、触碰到骨头的感觉,使学生能够更快地掌握手术要领。而且,主刀医生们在手术前,也可以建立一个病人身体的虚拟模型,在虚拟空间中先进行一次手术预演,这样能够大大提高手术的成功率,让更多的病人得以痊愈。

在航空航天行业的应用

由于航空航天是一项耗资巨大,非常烦琐的工程,所以,人们利用虚拟现实技术和计算机的统计模拟,在虚拟空间中重现了现实中的航天飞机与飞行环境,使飞行员在虚拟空间中进行飞行训练和实验操作,极大地降低了实验经费和实验的危险系数。

在手机行业的应用

国内智能手机市场的竞争是最为激烈,厂商之间的无硝烟战争更是涉及多个领域战况甚是惨烈。现在这种较量已经不局限于手机领域,已经蔓延到了风头正盛的 VR 行业。不少手机厂商早已纷纷布局了该领域,并先后推出了自家的 VR 头显设备。

结语

至目前为止,VR技术还有着五大障碍:没有真正进入虚拟世界的办法;如何“输入”也是很大的一个困扰;缺乏统一的标准;容易让人感到疲劳;不够智能化。必须要跨过这五个障碍,虚拟技术才能真正成为主流。