虚拟现实:身临其境的计算机生成环境与交互体验
虚拟现实方法是把计算机科学所处理的对象统一看作一个由计算机生成的空间(虚拟空间或虚拟环境),把操作它的人看作这个空间的组成部分(人在回路中)。
通过各种先进的感知、显示技术(即虚拟现实技术)实现人与计算机空间中物体的交互,人可以感受到虚拟环境中的物体,虚拟环境也能感受到人对其的各种操作(类似人与现实世界的交互方式)。
虚拟现实的实现主要手段是利用必要的设备实现人与虚拟环境之间的信息转换,最终实现人与环境的自然交互与作用。
虚拟现实系统的基本组成部分
虚拟现实系统一般至少包括输入、模拟、输出(修改)和数据库四个基本组成部分。每个部分都需要实时处理,否则响应时间的延迟会削弱虚拟现实的临场感。输入部分完成向虚拟现实系统输入信息的任务。主要设备包括:键盘、鼠标、跟踪球、操纵杆、数据手套、头部跟踪器和数据衣服。输入部分主要完成将现实物体虚拟化的任务。
一般而言,虚拟环境是一个动态变化的环境。仿真的目的是根据一定的理论或物理规律来确定虚拟环境每一时刻的状态,包括物体的位置、方向、变形、分解和聚合等。仿真过程一般是一个离散过程,以一定的时间间隔更新虚拟环境中各个物体的状态。这种更新可以基于真实的或虚构的物理规律,也可以根据预先定义的脚本。
输出(修改)过程完成显示任务。这里的显示不仅包括图像的显示,还包括声音、触觉甚至味觉的“显示”。即虚拟环境根据虚拟环境当前的状态,产生用户的视觉、听觉、触觉、味觉等多重感知,将虚拟环境“显示”给用户。这个过程是一个虚拟物体变成真实的过程。
数据库记录虚拟环境的当前状态。
虚拟现实的三大特点
(1)浸泡
沉浸感是指参与者融入虚拟现实的程度,即参与者完全沉浸在计算机生成的三维虚拟环境中,有很好的临场感,有身临其境的感觉。虚拟现实的沉浸感来源于对虚拟世界的多感官感知,常见的有视觉感知、听觉感知、力觉感知、味觉感知、嗅觉感知和体感感知。理论上讲,虚拟现实系统应该具备人在现实客观世界中具有的一切感知功能。例如:在《西北亚之旅》虚拟现实系统中,参与者感觉自己就像坐在旅游车里,看着窗外的景色,有很好的临场感效果。
(2)互动性
交互是指参与者能够运用各种感官功能和人类的自然技能与虚拟环境进行观察和操作。在虚拟现实系统中,强调人与虚拟世界的自然交互,如行走、转头、移动手等,并与虚拟现实系统进行交互,并借助虚拟现实系统中的专用硬件设备(如数据手套、力反馈设备),实时产生与现实世界中相同的感知,甚至参与者都意识不到计算机的存在。例如:参与者可以直接用手抓取虚拟世界中的物体,而且手有触觉,能感觉到物体的重量,能分辨是石头还是海绵,抓取的物体随着手的运动而移动。
(3)概念化
想象是指参与者借助虚拟现实系统给出的逼真的视听、触觉信号,对虚拟空间产生的想象。它能使人类突破时空去体验世界上已经发生或尚未发生的事件;能使人类进入宏观或微观世界进行研究和探索;还能完成因某些条件限制难以完成的事情。例如:在建造一栋建筑物之前,传统的方法是绘制各种图纸,而虚拟现实系统则能通过设计和模拟,体现设计师的想法。