虛擬現實--新技術

我在前天雜文<<不回國也可以同家人在一起>>裏提到“虛擬現實”的概念。為了讓同學們更好地理解VIRTUAL REALITY(VR)。在此摘錄資料，借用此寶地簡介這種新技術。虛擬現實是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術，廣角（寬視野）立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等。

VR藝術是伴隨著“虛擬現實時代”的來臨應運而生的一種新興而獨立的藝術門類，在《虛擬現實藝術： 形而上的終極再創造》一文中，關於VR藝術有如下的定義：“以虛擬現實（VR）、增強現實（AR）等人工智能技術作為媒介手段加以運用的藝術形式，稱為虛擬現實藝術，簡稱VR藝術。該藝術形式的主要特點是超文本性和交互性。”

“作為現代科技的綜合體現，VR藝術是通過人機界麵對複雜數據進行可視化操作與交互的一種新的藝術語言形式，它吸引藝術家的重要之處，在於藝術思維與科技工具的密切交融和二者深層滲透所產生的全新的認知體驗。與傳統視窗操作下的新媒體藝術相比，交互性和擴展的人機對話，是VR藝術呈現其獨特優勢的關鍵所在。從整體意義上說，VR藝術是以新型人機對話為基礎的交互性的藝術形式，其最大優勢在於建構作品與參與者的對話，以揭示意義生成的過程。

藝術家通過對VR、AR等技術的應用，可以采用自然的人機交互手段控製作品的形式，塑造出有沉浸感的藝術環境和現實情況下不能實現的夢境，並賦予創造型含義。如具有VR性質的交互裝置係統可以設置觀眾穿越多重感官的交互通道以及穿越裝置的過程，藝術家可以借助軟件和硬件的順暢配合來促進參與者與作品之間的溝通與反饋，創造良好的參與性和可操控性；也可以通過視頻界麵進行動作捕捉，儲存訪問者的行為片段，以保持參與者的意識增強性為基礎，同步放映增強效果和重新塑造、處理過的影像；通過增強現實、混合現實等形式，將數字世界和真實世界結合在一起，觀眾可以通過自身動作控製投影的文本，如數據手套可以提供力的反饋，可移動的場景、360度旋轉的球體空間不僅增強了作品的沉浸感，而且可以使觀眾進入作品的內部，操縱它、觀察它的過程，甚至賦予觀眾參與再創造的機會。”

盡管有極大的前景，目前和實際應用尚有較大的距離。Oculus Rift是第一代工業，反映出的問題很多，比如，判斷標準不統一，沒有真正進入虛擬世界的方法(使參與者無所適從)，輸入方法不行，使人產生疲勞感，總有些虛假的夠受。這些困難需要一定的時間和高科技技術的發展才能克服。

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附錄：
VR的幾個要素：

實時三維計算機圖形：用計算機模型產生圖形圖像並不是太難。如果有足夠準確的模型，又有足夠的時間就能生成不同光照下物體的精確圖像，這裏的關鍵是實時。例如在飛行模擬係統中，圖像的刷新相當重要，同時對圖像質量的要求也很高，再加上非常複雜的虛擬環境，就很困難。

圖像顯示：人看周圍的世界時，由於兩隻眼睛的位置不同，得到的圖像不同，這些圖像在腦子裏融合起來，就形成了一個關於周圍世界的整體景象，這個景象中包括了距離遠近的信息。當然，距離信息也可以通過其他方法獲得。

雙目立體視覺很重要：用戶的兩隻眼睛看到的不同圖像是分別產生的，顯示在不同的顯示器上。有的係統采用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡後，一隻眼睛隻能看到奇數幀圖像，另一隻眼睛隻能看到偶數幀圖像，奇、偶幀形成視差就產生了立體感。

用戶（頭、眼）的跟蹤：在環境中，每個物體相對於係統的坐標係都有一個位置與姿態，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來確定的。

跟蹤頭部運動的虛擬現實頭套：在傳統的計算機圖形技術中，視場的改變是通過鼠標或鍵盤來實現的，用戶的視覺係統和運動感知係統是分離的，而利用頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺係統和運動感知係統之間就可以聯係起來，感覺更逼真。

在用戶與計算機的互動中，鍵盤和鼠標是目前最常用的工具，但對於三維空間來說，它們都不太適合。在三維空間中因為有六個自由度，我們很難找出比較直觀的辦法把鼠標的平麵運動映射成三維空間的任意運動。現已經有一些設備可以提供六個自由度，如3Space 數字化儀和SpaceBall空間球等。

聲音。 在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強度的差別來確定聲音的方向，因為聲音到達兩隻耳朵的時間或距離有所不同。常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄製的不同聲音來實現的，所以會有一種方向感。現實生活裏，當頭部轉動時聲音的方向就會改變。在VR係統中，聲音的方向與用戶頭部的運動無關。

感覺反饋：在VR係統中，用戶看到一個虛擬的杯子。你可以設法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，並有可能穿過虛擬杯子的“表麵”，而這在現實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺。

語音：在VR係統中，語音的輸入輸出也很重要，要求虛擬環境能聽懂人的語言，並能與人實時交互。而讓計算機識別人的語音是相當困難的，因為語音信號和自然語言信號有其“多邊性”和複雜性。不僅不同人說同一詞會有所不同，就是同一人發音也會受到心理、生理和環境的影響而有所不同。使用自然語言作為計算機輸入目前有兩個問題，首先是效率問題，為便於計算機理解，輸入的語音可能會相當囉嗦。其次是正確性問題，計算機理解語音的方法是對比匹配，而沒有人的智能。

廣泛技術應用前景：

醫學：VR在醫學方麵的應用具有十分重要的現實意義。在虛擬環境中，可以建立虛擬的人體模型，借助於跟蹤球、HMD、感覺手套，學生可以很容易了解人體內部各器官結構，這比現有的采用教科書的方式要有效得多。建立虛擬外科手術訓練器，用於腿部及腹部外科手術模擬。手術後果預測及改善殘疾人生恬狀況，乃至新型藥物的研製等方麵，VR技術都有十分重要的意義。在醫學院校，學生可在虛擬實驗室中，進行“屍體”解剖和各種手術練習。外科醫生在真正動手術之前，通過虛擬現實技術的幫助，能在顯示器上重複地模擬手術，移動人體內的器官，尋找最佳手術方案並提高熟練度。

娛樂： 豐富的感覺能力與3D顯示環境使得VR成為理想的視頻遊戲工具。由於在娛樂方麵對VR的真實感要求不是太高，故近些年來VR在該方麵發展最為迅猛。如芝加哥的第一台大型可供多人使用的VR娛樂係統，其主題是關於3025年的一場未來戰爭；英國開發的稱為“Virtuality”的VR遊戲係統，配有HMD，大大增強了真實感。另外在家庭娛樂方麵VR也顯示出了很好的前景。

作為傳輸顯示信息的媒體，VR在未來藝術領域方麵所具有的潛在應用能力也不可低估。VR所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態的藝術（如油畫、雕刻等）轉化為動態的，可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術。另外，VR提高了藝術表現能力，如一個虛擬的音樂家可以演奏各種各樣的樂器，殘疾人或遠在外地的人可以在他生活的居室中去虛擬的音樂廳欣賞音樂會等等。

對藝術的潛在應用價值同樣適用於教育，如在解釋一些複雜的係統抽象的概念如量子物理等方麵。

其他還有很廣泛的運用：包括軍事航天，文物古跡再現，遊戲，WEB3D，道路橋梁模型，地理地質探測，教育科技研究，旅遊，維修，汽車船舶製造，軌道交通，能源開發，生物力學(假肢生產和應用訓練)，康複醫學等。