虚拟现实

虚拟现实,简称虚拟技术,也称虚拟环境,是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供用户关于视觉等感官的模拟,让用户感觉仿佛身历其境,可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。用户进行位置移动时,电脑可以立即进行复杂的运算,将精确的三维世界视频传回产生临场感。

来源:维基百科
简介

虚拟现实,英文名为Virtual Reality,简称VR技术。这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔(Jaron Lanier)在80年代初提出的,也称灵境技术或人工环境。作为一项尖端科技,虚拟现实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的最新发展成果,是一种由计算机生成的高技术模拟系统,它最早源于美国军方的作战模拟系统,九十年代初逐渐为各界所关注并且在商业领域得到了进一步的发展。这种技术的特点在于计算机产生一种人为虚拟的环境,这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型,并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主,也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境,从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉,可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化,并能与之发生“交互”作用,使人和计算机很好地“融为一体”,给人一种“身临其境”的感觉。

虚拟现实的特点与重要意义

虚拟现实是发展到一定水平上的计算机技术与思维科学相结合的产物,它的出现为人类认识世界开辟了一条新途径。虚拟现实的最大特点是:用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作,改变了过去人类除了亲身经历,就只能间接了解环境的模式,从而有效的扩展了自己的认知手段和领域。另外,虚拟现实不仅仅是一个演示媒体,而且还是一个设计工具,它以视觉形式产生一个适人化的多维信息空间,为我们创建和体验虚拟世界提供了有利的支持。

由于虚拟现实技术的实时三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身临其境的感受,它在军事和航天领域的模拟和训练中起到了举足轻重的作用。近年来,随着计算机硬件软件技术的发展以及人们越来越认识到它的重要作用,虚拟技术在各行各业都得到了不同程度的发展,并且越来越显示出广阔的应用前景。虚拟战场、虚拟城市、甚至“数字地球”;无一不是虚拟现实技术的应用。虚拟现实技术将使众多传统行业和产业发生革命性的改变。

虚拟现实系统的组成

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.虚拟现实技术的特征之一就是人机之间的交互性(interaction).为了实现人机之间的充分交换信息,必须设计特殊输入工具和演示设备,以识别人的各种输入命令,且提供相应反馈信息,实现真正的仿真效果。不同的项目可以根据实际的应用可以有选择的使用这些工具,主要包括:头盔式显示器、跟踪器、传感手套、屏幕式、房式立体显示系统、三维立体声音生成装置。

虚拟现实技术的分类

1. 桌面级的虚拟现实

桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真,计算机的屏幕用来作为用户观察虚拟境界的一个窗口,各种外部设备一般用来驾驭虚拟境界,并且有助于操纵在虚拟情景中的各种物体。这些外部设备包括鼠标,追踪球,力矩球等。它要求参与者使用位置跟踪器和另一个手控输入设备,如鼠标,追踪球等,坐在监视器前,通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界,并操纵其中的物体,但这时参与者并没有完全投入,因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面级的虚拟现实最大特点是缺乏完全投入的功能,但是成本也相对低一些,因而,应用面比较广。常见桌面虚拟现实技术有:

基于静态图像的虚拟现实技术:这种技术不采用传统的利用计算机生成图像的方式,而采用连续拍摄的的图像和视频,在计算机中拼接以建立的实景化虚拟空间,这使得高度复杂和高度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可能在PC平台上实现。

VRML(虚拟现实造型语言):它是一种在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的造型,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描述信息时,在本地进行解释执行,生成虚拟的三维场景。VRML的最大特点在于利用文本描述三维空间,大大减少了在Internet网上传输的数据量,从而使得需要大量数据的虚拟现实得以在Internet网上实现。

桌面CAD系统:利用Open GL、DirectDraw等桌面三维图形绘制技术对虚拟世界进行建模,通过计算机的显示器进行观察,并有能自由地控制的视点和视角。这种技术在某种意义上来说也是一种虚拟现实技术,它通过计算机计算来生成三维模型,模型的复杂度和真实感受桌面计算机计算能力的限制。

2.投入的虚拟现实

高级虚拟现实系统提供完全投入的功能,使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备,把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来,并提供一个新的、虚拟的感觉空间,并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身在虚拟环境中、并能全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有:

基于头盔式显示器的系统:在这种系统中,参与虚拟体验者要戴上一个头盔式显示器,视听觉与外界隔绝,根据应用的不同,系统将提供能随头部转动而随之产生的立体视觉、三维空间。通过语音识别、数据手套、数据服装等先进的接口设备,从而使参与者以自然的方式与虚拟世界进行交互,如同现实世界一样。这是目前沉浸度最高的一种虚拟现实系统。

投影式虚拟现实系统:它可以让参与者从一个屏幕上看到他本身在虚拟境界中的形象,为此,使用中电视技术中的"键控"的技术,参与者站在某一纯色(通常为兰色)背景下,架在参与者前面的摄像机捕捉参与者的形象,并通过连接电缆,将图像数据传送给后台处理的计算机,计算机将参与者的形象与纯色背景分开,换成一个虚拟空间,与计算机相连的视频投影仪将参与者的形象和虚拟境界本身一起投射到参与者观看的屏幕上,这样,参与者就可以看到他自己在虚拟空间中的活动情况。参与者还可以与虚拟空间进行实时的交互,计算机可识别参与者的动作,并根据用户的动作改变虚拟空间,比如来回拍一个虚拟的球或走动等,这可使得参与者感觉就象是在真实空间中一样。

远程存在系统:远程存在系统是一种虚拟现实与机器人控制技术相结合的系统,当某处的参与者操纵一个虚拟现实系统时,其结果却在另一个地方发生,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。

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,而且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感受。这种类型虚拟现实典型的实例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。

4.分布式虚拟现实

如果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,这就是分布式虚拟现实系统。目前最典型的分布式虚拟现实系统是作战仿真互联网和SIMNET,作战仿真互联网(Defense Simulation Internet, DSI)是目前最大的VR项目之一。该项目是由美国国防部推动的一项标准,目的是使各种不同的仿真器可以在巨型网络上互联,它是美国国防高级研究计划局1980年提出的SIMNET计划的产物。SIMNET由坦克仿真器(Cab类型的)通过网络连接而成,用于部队的联合训练。通过SIMNET,位于德国的仿真器可以和位于美国的仿真器一样运行在同一个虚拟世界,参与同一场作战演习。

【来源:Wikipedia, URL:http://wiki.mbalib.com/wiki/Virtual_Reality

发展历史

在1950年代之前:

Morton Heilig, 一名摄影师,创造和发明了一个名为Sensorama的模拟器,它具有视觉、声音、振动和气味。这是一种立体视觉模拟器,于1939年问世。

虚拟现实的确切起源是有争议的,部分原因在于它对另一种存在的概念的定义有多么困难。虚拟现实的元素早在19世纪60年代就出现了。法国作家Antonin Artaud认为,错觉与现实并无明显区别,主张观众在戏剧中应该暂时停止怀疑,把舞台上的戏剧视为现实。

劳伦斯·曼宁(Laurence Manning)在1933年出版的系列短篇小说《The Men Who Awoke觉醒者》——描述了一个人们要求与一台机器连接的时代,这种机器用电脉冲取代了所有感官,因此,虚拟的生活是由他们选择的(《黑客帝国》(The Matrix),人是自愿的,但不是强制的)。

tanley G. Weinbaum,1935年的短篇小说《Pygmalion's Spectacles皮格马利翁的眼镜》描述了一个基于护目镜的虚拟现实系统,其全息记录虚构的体验,包括触觉和触觉。

Morton Heilig 在20世纪50年代创作了一种“体验剧场”,它可以有效地囊括所有感官,从而将观众吸引到屏幕上。1962年,他设计了一款名为“Sensorama”的视觉原型,同时还制作了5部短片,让它在视觉、听觉、嗅觉和触觉等多种感官中发挥作用。早于数字计算,Sensorama是一种机械装置。Heilig还发明了他所说的“遥控面罩Telesphere Mask”(1960年获得专利)。

大约在同一时间,Douglas Engelbart用电脑屏幕作为输入和输出设备。1968年, Ivan Sutherland在他的学生 Bob Sproull的帮助下,创造了被广泛认为是第一个用于沉浸式模拟应用的头戴式显示器(HMD head-mounted display)系统。在用户界面和现实主义方面,它都是原始的,用户使用的HMD是如此沉重,以至于不得不从天花板上悬挂下来。包含虚拟环境的图形是简单的线框模型房间。该设备令人生畏的外观启发了它的名字——The Sword of Damocles。

从1970年到1990年,虚拟现实产业主要为医疗、飞行仿真、汽车工业设计和军事训练提供VR设备。

David Em成为第一个在美国宇航局喷气推进实验室NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL)生产可导航虚拟世界的工作者。

Aspen Movie Map 是1978年在麻省理工学院创建的。该项目是对科罗拉多州阿斯彭(Aspen)的一种粗糙的虚拟模拟,用户可以在三种模式之一的街道上漫步:夏季、冬季和polygons。

1979年, Eric Howlett发明了大范围,额外的透视(LEEP)光学系统。这个组合系统创造了一个立体的图像,视野宽阔,足以创造一个令人信服的空间感。该系统的用户对场景中景深的感觉以及相应的现实主义印象深刻。最初的LEEP系统是由美国宇航局 Ames Research Center在1985年为他们的第一个虚拟现实装置重新设计的,由Scott Fisher提供的视图(虚拟交互式环境工作站)。LEEP系统为大多数电流提供了基础。

Atari在1982年为虚拟现实建立了一个研究实验室,但是由于Atari Shock(1983年的北美电子游戏倒闭),实验室在两年后关闭了。然而,该公司雇佣的员工,如Tom Zimmerman, Scott Fisher, Jaron Lanier and Brenda Laurel,他们都继续vr相关技术的研究。

到了20世纪80年代

“虚拟现实”这个词由Jaron Lanier推广,他是该领域的现代先锋之一。拉尼尔在1985年创立了公司VPL研究。VPL研究开发了数种VR设备,如数据手套、眼睛电话和音频球。VPL将数据手套技术授权给美泰公司,该公司利用该技术制造了一种被称为“权力手套”的配件。虽然电动手套很难使用,也不受欢迎,但售价为75美元,这是一款早期可负担的VR设备。

1990年至2000年

1991年,SEGA发行SEGA VR虚拟现实耳机街机游戏和Mega Drive。它使用液晶显示屏幕,立体声耳机和惯性传感器,让系统可以追踪用户头部运动并作出响应。

同年,游戏Virtuality推出,并成为第一大多人虚拟现实网络娱乐系统。它在许多国家发行,包括旧金山内河码头中心一个专门虚拟现实商场。每台Virtuality系统成本为73,000美元,包含头盔和外骨骼手套,是第一个三维虚拟现实系统。

麻省理工学院科学家安东尼奥·梅迪纳设计一个虚拟现实系统,从地球“驾驶”火星车,尽管信号严重延误。该系统被称为“电脑模拟遥控操作”,是虚拟现实的延伸。

1991年,Carolina Cruz-Neira,Thomas A. DeFanti等人在电子可视化实验室创建第一个可视化立方房间,人们可以看到周遭的其他人。

1994年,SEGA发行SEGA VR-1运动模拟器街机,它能够跟踪头部运动并制造立体3D图像。

1994年,苹果发布QuickTime VR格式它是与VR广泛链接使用的产品。

1995年7月21日,任天堂完成Virtual Boy,并在日本发布。

1995年,西雅图一个组织创造一个 "CAVE-like"270度沉浸式投影室,称为虚拟环境剧场。1996年,同一系统在Netscape Communications主办展览会中发表,首次展示虚拟现实连接到网络,内容提要与VRML 3D虚拟世界相链接。

1995年,个人电脑供电的虚拟现实耳机VFX1 Headgear出现,它支持游戏包含天旋地转、星球大战:黑暗力量、System Shock和雷神之锤 (游戏)。

1999年,企业家Philip Rosedal)组织林登实验室(Linden Lab),最初的重点是硬件,使电脑用户完全沉浸在360度虚拟现实中。

一个2013年版本的Oculus VR公司的Oculus Rift装置, 这家公司于2014年被Facebook以20亿美元收购。

2001年-2018年

2001年,SAS3或SAS Cube成为第一个台式机立体空间,由Z-A生产,2001年4月在法国拉瓦尔完成。

2007年,谷歌推出街景视图,显示越来越多的世界各地全景,如道路,建筑物和农村地区。一个立体3D模式在2010年推出。

2010年,Palmer Luckey创办Oculus Rift,虚拟现实头戴式显示器。

2013年,任天堂申请专利,提出使用虚拟现实技术概念使2D电视拥有更逼真的3D效果。

2015年7月,OnePlus成为第一家利用虚拟现实推出产品的公司。他们用虚拟现实的平台推出OnePlus 2,在谷歌应用程序Play商店,YouTube上发布。

2015年,Jaunt开发照相机和云平台。

2016年4月27日,Mojang宣布Minecraft可以在三星Gear VR上使用。

2016年7月,宏达电 (HTC) 与电玩商 Valve 推出个人电脑VR眼镜产品.

2016年7月,指挥家VRconductorVR发布全球首个大空间多人交互VR行业应用。

在2017年初,索尼公司(Sony)的一项专利表明,他们正在开发一种类似的位置追踪技术。

2018年1月,上海一个团队首先突破技术难点,于CES大会上推出了商用化的个人8K分辨率电脑VR眼镜,两眼各4K,有效消除了近距观看显示器时人眼的纱窗效应。

【来源:WIKI ; URL:https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_reality

主要事件

年份
1992Steuer, J.对虚拟现实进行定义Steuer, J. (1992). Defining virtual reality: Dimensions determining telepresence. Journal of communication, 42(4), 73-93.
1993Cruz-Neira, C., Sandin, D. J., & DeFanti, T. A.设计并实现CAVECruz-Neira, C., Sandin, D. J., & DeFanti, T. A. (1993, September). Surround-screen projection-based virtual reality: the design and implementation of the CAVE. In Proceedings of the 20th annual conference on Computer graphics and interactive techniques (pp. 135-142). ACM.
2005Zyda, M.将视觉模拟应用于虚拟游戏中Zyda, M. (2005). From visual simulation to virtual reality to games. Computer, 38(9), 25-32.
2012Laver, K., George, S., Thomas, S., Deutsch, J. E.,将虚拟现实用于中风康复Laver, K., George, S., Thomas, S., Deutsch, J. E., & Crotty, M. (2012). Virtual reality for stroke rehabilitation. Stroke, 43(2), e20-e21.

发展分析

瓶颈

首先,捕捉3D图片的硬件是最基本的,所以说,对于一般用户来说,VR设备的价格还是比较昂贵的。

此外,目前可用的图像的访问和质量是有限制的。开发者要么被迫使用低质量的图片,要么以相当大的成本进行开发,开发者模式的定价一般是商品的额外价格。

高质量图像就意味着图像存储可以向用户收取大量的额外费用,从创作者的工作中获利。

https://cointelegraph.com/explained/current-challenges-of-virtual-reality-explained

未来发展方向

根据首席科学家Micheal Abrash在Oculus公司的调查,在2022年之前可能会解决这一问题。

【来源:web, URL:https://www.roadtovr.com/michael-abrash-explores-next-5-years-vr-technology/

  • Eye-tracking
  • Face-tracking
  • Hand-tracking
  • Inside-out tracking
  • External body-tracking
  • 140 degrees field of view
  • 4k display resolution per eye
  • Personalized positional audio
  • Varifocal display, allowing the user to focus on different distances
  • Foveated rendering, reducing the number of pixels needed to be rendered by a factor of at least 10

【来源:wiki, URL:https://en.wikipedia.org/wiki/Augmented_reality

Contributor:Ruiying Cai

相关人物
Palmer Luckey
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欧酷拉的原始创办人,以及消费者虚拟现实头戴式显示器Oculus Rift的发明者。
Carolina Cruz-Neira
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简介
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