网络百科新概念
提示
 正文中的蓝色文字是词条,点击蓝色文字可进入该词条页面;
 正文中的红色文字是尚待创建的词条,点击红色文字可进入创建词条页面;
 欢迎参与词条创建或编辑修改!人人为我,我为人人。共同建设中文百科在线,共创知识文明!
zwbkorg
关注微信,获取更多信息
阅读 923 次 历史版本 0个 创建者:lanwei87 (2014/12/17 9:51:25)  最新编辑:lanwei87 (2014/12/17 9:51:25)
虚拟现实
同义词条:VR,技术VR,灵境技术,人工环境
目录[ 隐藏 ]
 
虚拟现实
虚拟现实
 
    虚拟现实(Virtual Reality)简称VR技术VR,也称灵境技术或人工环境,是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界,提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让用户如同身历其境一般,可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。用户进行位置移动时,电脑可以立即进行复杂的运算,将精确的三维世界图像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形、计算机仿真、人工智能、传感、显示及网络并行处理等技术的最新发展成果,是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。  

概述


  从技术的角度来说,虚拟现实系统具有下面三个基本特征:即三个“I”immersion-interaction-imagination(沉浸—交互—构想),它强调了在虚拟系统中的人的主导作用。从过去人只能从计算机系统的外部去观测处理的结果,到人能够沉浸到计算机系统所创建的环境中,从过去人只能通过键盘、鼠标与计算环境中的单维数字信息发生作用,到人能够用多种传感器与多维信息的环境发生交互作用;从过去的人只能以定量计算为主的结果中启发从而加深对事物的认识,到人有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感知和理性的认识从而深化概念和萌发新意。总之,在未来的虚拟系统中,人们的目的是使这个由计算机及其它传感器所组成的信息处理系统去尽量“满足”人的需要,而不是强迫人去“凑合”那些不是很亲切的计算机系统。

  现在的大部分虚拟现实技术都是视觉体验,一般是通过电脑屏幕、特殊显示设备或立体显示设备获得的,不过一些仿真中还包含了其他的感觉处理,比如从音响和耳机中获得声音效果。在一些高级的触觉系统中还包含了触觉信息,也叫作力反馈,在医学和游戏领域有这样的应用。人们与虚拟环境相互要么通过使用标准装置例如一套键盘与鼠标,要么通过仿真装置例如一只有线手套,要么通过情景手臂和/或全方位踏车。虚拟环境是可以是和现实世界类似的,例如,飞行仿真和作战训练,也可以和现实世界有明显差异,如虚拟现实游戏等。就目前的实际情况来说,它还很难形成一个高逼真的虚拟现实环境,这主要是技术上的限制造成的,这些限制来自计算机处理能力,图像分辨率和通信带宽。然而,随着时间的推移,处理器、图象和数据通讯技术变得更加强大,并具有成本效益,这些限制将最终被克服。

  关键技术


  虚拟现实是多种技术的综合,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、语音输入输出技术等。下面对这些技术分别加以说明。

  实时三维计算机图形

  相比较而言,利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模型,又有足够的时间,我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像,但是这里的关键是实时。例如在飞行模拟系统中,图像的刷新相当重要,同时对图像质量的要求也很高,再加上非常复杂的虚拟环境,问题就变得相当困难。

  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。

  用户(头、眼)的跟踪:在人造环境中,每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态,而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头(眼)的方向来确定的。

  跟踪头部运动的虚拟现实头套: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。

  在用户与计算机的交互中,键盘和鼠标是目前最常用的工具,但对于三维空间来说,它们都不太适合。在三维空间中因为有六个自由度,我们很难找出比较直观的办法把鼠标的平面运动映射成三维空间的任意运动。现在,已经有一些设备可以提供六个自由度,如3Space数字化仪和SpaceBall空间球等。另外一些性能比较优异的设备是数据手套和数据衣。

  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。

  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。

  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。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。

  技术特点

  VR艺术是伴随着“虚拟现实时代”的来临应运而生的一种新兴而独立的艺术门类,在《虚拟现实艺术: 形而上的终极再创造》一文中,关于VR艺术有如下的定义:“以虚拟现实(VR)、增强现实(AR)等人工智能技术作为媒介手段加以运用的艺术形式,我们称之为虚拟现实艺术,简称VR艺术。该艺术形式的主要特点是超文本性和交互性。”

  “作为现代科技前沿的综合体现,VR艺术是通过人机界面对复杂数据进行可视化操作与交互的一种新的艺术语言形式,它吸引艺术家的重要之处,在于艺术思维与科技工具的密切交融和二者深层渗透所产生的全新的认知体验。与传统视窗操作下的新媒体艺术相比,交互性和扩展的人机对话,是VR艺术呈现其独特优势的关键所在。从整体意义上说,VR艺术是以新型人机对话为基础的交互性的艺术形式,其最大优势在于建构作品与参与者的对话,通过对话揭示意义生成的过程。

  艺术家通过对VR、AR等技术的应用,可以采用更为自然的人机交互手段控制作品的形式,塑造出更具沉浸感的艺术环境和现实情况下不能实现的梦想,并赋予创造的过程以新的含义。如具有VR性质的交互装置系统可以设置观众穿越多重感官的交互通道以及穿越装置的过程,艺术家可以借助软件和硬件的顺畅配合来促进参与者与作品之间的沟通与反馈,创造良好的参与性和可操控性;也可以通过视频界面进行动作捕捉,储存访问者的行为片段,以保持参与者的意识增强性为基础,同步放映增强效果和重新塑造、处理过的影像;通过增强现实、混合现实等形式,将数字世界和真实世界结合在一起,观众可以通过自身动作控制投影的文本,如数据手套可以提供力的反馈,可移动的场景、360度旋转的球体空间不仅增强了作品的沉浸感,而且可以使观众进入作品的内部,操纵它、观察它的过程,甚至赋予观众参与再创造的机会。” 

五大障碍

  虚拟现实技术未来将会发展成一种改变我们生活方式的新突破。在第一代Oculus Rift的开发者大会上,所有与会者都看到了一个充满潜力的虚拟现实平台。

  但是从现在来看,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。虽然所有问题最终都会找到答案,但是都不太可能在一夜之间全部解决。

  目前,开发者如何为用户提供一个真正身临其境的游戏或应用体验还存在比较大的技术局限性,而一些问题到现在仍然还没有很好的解决办法。

  没有真正进入虚拟世界的方法

  在Oculus Rift开发圈有一个著名的笑话,每当有人让使用者站起来走走时,对方通常都不敢轻易走动,因为Oculus Rift还依然要通过线缆连接到计算设备上,而这也大幅限制了使用者的活动范围。

  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 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。

  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更大。”他表示。

  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。”

  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拟现实场景中不同的使用摄像机。移动着观看和静坐观看,二者带来的体验是截然不同的。镜头的加速移动,就会带来不同的焦点,而这些如果运用不当,就会给用户带来恶心的感觉。甚至如果镜头移动的过于迅速,直接会暂时影响用户的视力。

  有些人要更敏感,更容易眩晕。虽然Oculus VR首席执行官Brendan Iribe表示最新的产品可以避免为用户带来身体不适,但是仍然需要用户亲身体验过才行。目前还有一些研究显示,女性通常要比男性更容易对这些设备产生不适(另外很少有女性会参与到虚拟现实装置的测试体验)。

  看起来还是有点蠢

  最后一点虽然看起来有些肤浅,但是同样很重要。虽然是一款专业的游戏设备,但是现在我们佩戴起来非常笨重并且不自然,甚至看起来有些愚蠢。虽然目前我们不知道最终版的Oculus Rift会是什么样子,但是从目前来看,想要让它变得轻盈似乎不太可能。

  虽然Oculus Rift不是在公共场所使用的设备,但是普通用户绝对也接受不了它们现在的样子。不过这些问题并非不可解决,大多数熟悉虚拟现实装备的开发者都表示,未来关于设备的外观变得更漂亮并不是一件困难的事情。

  虽然虚拟现实技术现在看起来还非常初级,但是终有一天它将成为我们与计算机交互方式最大的一种转型,改变人们与科技之间的关系。虚拟现实技术未来最终将让我们与虚拟世界之间,更加自然的交互。 

虚拟现实技术是如何运作


  虚拟现实有三个独立的步骤。

  第一步,追踪。例如,利用头盔式显示器追踪一个人在现实世界中的运动轨迹,当他(她)走动时,我们可以追踪到他(她)的位置,不断测量他(她)在物理世界中的运动轨迹。

  第二步,透视投影。这个词指的是重新绘制一个场景,并利用计算机图像将抽象信息从代码转化为有形的显示单元(如像素)。

  第三步,展示。当他(她)处于新位置时,我们可以改变他(她)眼中看到的信息,耳中听到的声音,有时候我们还会做出虚拟接触效果改变他(她)的手的位置,偶尔也会做出虚拟嗅觉。大脑的前部会告诉他(她)这不是真实的场景,而大脑后部却会说这是真的。 

虚拟现实技术的十种应用


  案例NO.1:强化凝视

  如果我凝视着你,你的心跳会加速,你会记住更多我所传达的内容。但要同时与200人保持眼神交流几乎不可能。而虚拟现实的魅力在于,我可以通过电脑,将虚拟化身显示在每个学生的显示屏上,每个学生都可以与我进行眼神互动交流,觉得我一直凝视着自己。在过去15年中,我们对几百名学习者做过试验。结果显示,如果学生认为他(她)一直是老师目光的焦点,他听课会更认真,成绩也会相应地得到提升。

  案例NO.2:动作和相貌模仿
动作和相貌模仿
动作和相貌模仿

  心理学家认为一个人的受欢迎程度与他(她)的模仿能力成正比。例如在面试中模仿面试官的姿势、动作,对方会更喜欢你。现在如果我要模仿你们,只能选择其中一人的动作来模仿,但虚拟现实可以改变这一状况。创建一个老师的虚拟镜像,电脑会根据每个学生的动作创造出一个与学生的相貌及行为举止更为类似,更具亲和力的老师,让学生觉得老师跟自己相像,从而更认真地听讲。同样,人们对于相貌更像自己的人也更有好感。

  案例NO.3:身份的转变

  一个人走近一面虚拟镜子,看到了他的化身,发现镜中的自己是一名白人男性。这时突然有人按下按钮,镜中的形象变成了一名黑人女性,例如非裔美国人。这种虚拟化身与本体的不一致对他将有何影响?我们知道有个词叫做“设身处地”,如果你和某人有类似的感觉,你的同理心反应会更强。

  案例NO.4:美丽的化身

  社会心理学家发现,有魅力的美丽女孩通常更自信、更外向、求职成功率也更高。在虚拟现实中,美丽唾手可得,每个人都可以拥有完美的化身。当你的化身是美女时,你在上前与他人交流时会站在一个离对方相对较近的地方。此外,你的讲话方式、语音语调、词汇的选择,都会因为你的虚拟化身而发生变化。美丽的虚拟化身能激发你的信心。

  案例NO.5:高大的化身

  在现实世界中,一个人的地位高度通常与收入、信心成正比,这是一种重要的社会暗示。在虚拟现实中,高大的形象也垂手可得,它甚至会影响到你的现实财务状况。

  那么这种美丽和高大的感觉会持续多久?有的人摘除头戴式设备回到现实后,虚拟现实仍会持续对他们产生影响。拥有美丽虚拟化身的女孩在现实生活中会更加积极地参与各类社交活动,拥有高大虚拟化身的男性在现实世界里也会变得更为自信,拥有更强的领导能力。

  案例NO.6:同理心和利他主义

  在虚拟现实中,如果你的化身是视觉障碍者或残障人士,你会体会到各种不便,也会更加了解这些人的不易。对这种角色的扮演会提升你的同理心。而且人们在虚拟世界中更愿意帮助别人。
虚拟技术应用于环境保护
虚拟技术应用于环境保护


  案例NO.7:环境保护

  人类的特定行为所造成的结果无法立刻呈现在人们面前,如气候变化。然而如果使用虚拟现实技术进行模拟,无形的事物——如碳分子——就可以变成有形的,给人一种更直观的感受。在美国,厕纸通常是不可循环再利用的。为了减少这类纸张的使用率,我们做了一个实验,将测试对象分为三组:第一组成员拿到了一篇纽约时报的文章,讲述的是伐木的场景;第二组成员在视频上看到了树木砍伐的过程;第三组成员在虚拟现实中身临其境地体验了砍树的过程。一段时间后,我们对这三组成员进行了后续追踪调查,其中第三组成员的用纸量下降了20%,而其他两组成员的行为基本没有改变。所以虚拟现实技术在一定程度上有助于加强人们的环保意识。

  案例NO.8:养老金产品

  在中国,可能20多岁的年轻人都会进行储蓄;但在美国,人们更倾向于“及时行乐”,很少往银行存钱。虚拟现实技术可以让一名20多岁的年轻人看到自己被老化处理后65岁的样子。当年轻人看到栩栩如生的老人形象后,会开始考虑现在应该如何为今后舒适的晚年生活做准备。我们与美国银行合作开发的“人脸退休”(Face Retirement)产品,也是为了改变人们的观念。

  案例NO.9:减肥产品

  用虚拟化身来改变行为在健康领域同样适用。在美国,肥胖已成为一种流行病,很多人都知道不运动、饮食不健康的生活习惯不对,但却难以改变。在虚拟现实中,你做三次抬腿运动,就会明显发现自己的化身轻了一磅。之前可能你不相信自己能做到,但虚拟化身给你的感觉是,只要我运动,我是真的可以瘦下来的,这就是社会认知理论中的“自我效能”概念。

  案例NO.10:体验式学习

  作为斯坦福的老师,如何提升学生的学习效率是我一直在思考的问题。之前我提到可以通过改变老师的虚拟化身来实现这一效果,这里我要讲的是建构主义,即“做中学”(learn by doing)。比如老师今天讲物理学中的重力章节,可以让学生在虚拟现实中往深坑跳下去,真真切切地去体验和感受重力。如果小孩想探秘海底动物之间的关系,可以通过虚拟现实创造出一片海洋,让孩子们在海底畅游,去探索海底动物关系及海流变化等。这种学习体验是非常棒的。

    1
    0
    申明:1.中文百科在线的词条资料来自网友(一些人是某学科领域的专家)贡献,供您查阅参考。一些和您切身相关的具体问题(特别是健康、经济、法律相关问题),出于审慎起见,建议咨询专业人士以获得更有针对性的答案。2.中文百科的词条(含所附图片)系由网友上传,如果涉嫌侵权,请与客服联系,我们将及时给予删除。3.如需转载本页面内容,请注明来源于www.zwbk.org

    词条保护申请

  • * 如果用户不希望该词条被修改,可以申请词条保护
    * 管理员审核通过后,该词条会被设为不能修改

    注意:只有该词条的创建者才能申请词条保护

    本条目由以下用户参与贡献

  • lanwei87
联系我们意见反馈帮助中心免责声明
Copyright © 2010 zwbk.org 中文百科在线 All rights reserved.京ICP证090285号