VR分类和应用及局限——李社博士

2021-01-13

5G网络的三大特点,高速率、低时延、大连接。首先,它采用了毫米波技术使得数据传输速率远高于以前的蜂窝网络,比当前的有线互联网要快。第二个就是响应时间短,更有较低的网络延迟。第三个就是连接容量大,每平方公里可以接入100万台终端。这些优势也给5G技术提供了广泛的应用场景。eMBB为其中一大应用场景,它提供高速率应用,例如VR/AR,高清视频,全息投影等。虚拟现实就是VR技术集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术对虚拟环境进行创设,从而给人“身临其境”之感。

一般的虚拟现实系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和演示设备等组成,其特征之一就是人机交互性。为实现人机充分交换信息,可根据具体的应用设计特殊输入工具和演示设备,用以识别人的各种输入命令同时提供相应的反馈信息,实现真正的仿真效果。

1、VR的分类

1.1桌面式的虚拟现实

桌面式的虚拟现实技术利用个人计算机和低级的工作站进行仿真,计算机的屏幕用来作为用户观察虚拟环境的窗口。例如采用静态图像的虚拟现实技术连续拍摄获得图像和视频,在计算机中拼接以建立的实景化虚拟空间,这使得高度复杂逼真的虚拟场景能够以很小的计算代价得到,从而使得虚拟现实技术在PC端实现。而VRML(虚拟现实造型语言)也是桌面式虚拟现实的一种常用实现手段,是一种在Internet网上应用极具前景的技术。它采用描述性的文本语言描述基本的三维物体造型,通过一定的控制,将这些基本的三维造型组合成虚拟场景,当浏览器浏览这些文本信息时,在本地解释执行,便可生成虚拟的三维场景,大大减少了在网上传输的数据量。基于这一类型的应用其实已经深入到我们生活中了,例如各类型运动手表以及一些医用设备就是应用了这一技术。

1.2沉浸式的虚拟现实

投入的虚拟现实是一种高级的虚拟现实系统,利用特殊的设备把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来,然后为用户提供一个新的虚拟的感觉空间,这一环境就是利用了各种传感器例如位置追踪器,数据手套或者其他手控输入设备打造了一个沉浸式系统。常见的沉浸式系统包括三种。第一种是可穿戴设备,设备通过各种测量传感器与身体进行迅速的信息交换,根据身体各部位的特征相应提供立体三维的虚拟感知,使参与者以自然的方式与虚拟世界交互如同现实世界一样。另一种就是投影式虚拟现实,利用视觉的艺术结合计算机的图像数据处理功能在参与者眼中创造了一个虚拟空间,再通过传感器感知参与者的活动情况与虚拟空间进行实时交互,改变当前虚拟空间的活动状态,带来全新的体验,这一技术也吸引了广大游戏公司目光。还有一种就是远程存在系统,这一系统将虚拟现实与机器人控制技术相结合,使得当某地的参与者操纵一个虚拟现实时,其结果却发生在另一个地方,参与者通过立体显示器获得深度感,显示器与远地的摄像机相连;通过运动跟踪与反馈装置跟踪操作员的运动,反馈远地的运动过程如阻尼、碰撞等,并把动作传送到远地完成。

1.3增强现实性的虚拟现实

增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界。更重要的是要利用它来增强参与者对真实环境的感受,也就是增强现实中无法感知或不方便感知的感受。这种类型的虚拟现实的实例就是战机飞行员的平视显示器,它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上,它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据,从而可集中精力盯着敌人的飞机和导航偏差。

1.4分布式虚拟现实

分布式虚拟现实是让多个用户通过计算机网络连接在一起,同时参加一个虚拟空间,共同体验虚拟经历,那虚拟现实则提升到了一个更高的境界。目前典型的分布式虚拟现实操作系统是作战仿真互联网,这也是目前最大的VR项目之一。目的是使各种不同的仿真器可以在巨型网络上互联,是美国国防部推动的一项标准。

2、应用

自VR技术问世以来,为人机交互界面开辟了广阔的天地,带来了巨大的社会、经济效益。许多发达国家都在大力研究、开发和应用这一技术,积极探索其在各个领域中的应用,其中在新型武器研制和新式教育方面的应用尤为突出。

2.1在武器装备研究与新武器展示方面的应用

第一,在武器设计研制过程中,采用VR技术提供先期演示,检验设计方案,把先进设计思想融入武器装备研制的全过程,从而保证质量和效能。另外对于有些无法进行的实验或实验成本太高的武器研制工作,也可由VR系统来完成,为改进武器提供条件。

第二,研制者和用户利用VR技术,可以方便地介入系统建模和仿真试验的全过程,既能加快武器系统的研制周期,又能合理评估其作战效能及其操作的合理性,使之更接近实战的要求。

第三,采用VR技术对未来高技术战争的战场环境、武器装备的技术性能和使用效率等方面进行仿真,有利于选择重点发展的武器装备体系,优化其整体质量和作战效果。

第四,很多武器供应商借助于网络,采用VR系统来展示武器的各种性能。

2.2新式教育

第一,虚拟校园利用VR技术仿真校园环境,目前主要以浏览功能为主,随着多种灵活的浏览方式以崭新的形式出现,虚拟校园正以一种全新的姿态吸引着大家的目光。(杭州电子工业学院的虚拟校园)

第二,在高等教育中,特别是理工科课程的教学,引进了VR技术的使用使得教学上产生了质的突破,使得课堂更加形象生动也能完成一些互动性实验,卡发了虚拟教育环境。如浙江大学CAD&CG国家重点实验室虚拟现实与多媒体研究室承担的欧盟科技项目中开发了基于虚拟人物的电子学习环境(ELVIS),用来辅助9~12岁的小学生进行故事创作。

第三,远程教育,VR技术突破了物理时空的限制并有效地利用了共享资源的特点,可同时虚拟老师、实验设备等,具有巨大的发展前景。如中央广播电视大学远程教育学院,投入较大的人力物力采用基于Internet的游戏图像引擎,将网络学院的实际功能整合在图形引擎中。

第四,特殊教育,VR技术是一种面向自然的交互形式,这个特点对于一些特殊的教育有着特殊的涌入。中国科学院计算所开发的“中国手语合成系统”,采用基于运动跟踪的手语三维运动数据获取方法,利用数据手套以及空间位置跟踪定位设备,可以获取精确的手语三维运动数据。利用此方法。中国手语合成系统完成了手语5596词的数据收集工作,形成中国手语立体显示数据库,便利了很多聋哑人的生活。

3、发展前景和局限性

VR技术领域诞生于美国,最初是为了满足国防和航空航天的需要,随着计算机技术,特别是图形显示技术的快速发展,在实际生产中有了更多的应用。其主要的发展趋势方向是朝着生产便利的方向以及提供娱乐性活动的体验感。但同时,由于VR技术作为一项新兴的科学技术,它的发展也依赖这其他技术的发展,受当前其他各项科学技术的限制。距离人们心中所追求的理想局面还有一定的差距。从沉浸性,交互性等方面都需要进一步的改进与完善,主要包括以下几个方面:

(1)硬件设备的局限性。相关设备普遍存在使用不方便、效果不佳等情况。硬件设备品种也有待进一步扩展而且设备价格比较昂贵也是一大局限性所在。

(2)软件的局限性。大多数到的VR软件普遍存在语言专业性较强,通用性较差,易用性差。同时,软件所能实现的效果收到了时间和空间上的影响较大,很多算大和许多相关理论也不成熟,如在新型传感和感知机理,几何与物理建模机方法等,