科普:虚拟现实系统的分类

根据用户参与和沉浸感的程度,通常把虚拟现实分为4大类:桌面虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、增强虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。

1. 桌面虚拟现实系统

桌面虚拟现实系统(Desktop VR)基本上是一套基于普通PC平台的小型桌面虚拟现实系统。使用个人计算机(PC)或初级图形PC工作站去产生仿真,计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的窗口。用户坐在PC显示器前,戴着立体眼镜,并利用位置跟踪器、数据手套或者6个自由度的三维空间鼠标等设备操作虚拟场景中的各种对象,并可以在360度范围内浏览虚拟世界。然而用户是不完全投入的,因为即使戴上立体眼镜,屏幕的可视角也仅有20度--30度之间,仍然会受到周围现实环境的干扰。

桌面虚拟现实系统虽然缺乏头盔显示器的投入效果,但已经具备了虚拟现实技术的技术要求,并且其成本相对低很多,所以目前应用较为广泛。例如:学生可在室内参观 虚拟校园、虚拟教室或虚拟实验室等;虚拟小区、虚拟样板房不仅为买房者带来了便利,也为上架带来了利益。桌面虚拟现实系统主要用于计算机辅助设计、 计算机辅助制造、建筑设计、桌面游戏、军事模拟、生物工程、航天航空、医学工程和科学可视化等领域。

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图1.虚拟房产

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图2.虚拟建筑

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图3.虚拟实验室

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图4.虚拟游戏 /center>

2. 沉浸式虚拟实现系统

沉浸式虚拟现实系统(Immersive VR)是一种高级的、较理想、较复杂的虚拟现实系统。它采用的封闭的场景和音响系统将用户的视听觉和外界隔离,使用户完全置身于计算机生成的环境中,用户通过利用空间位置跟踪器、数据手套和三维鼠标等输入设备输入相关数据和命令,计算机根据获取的数据测得用户的运动和姿态,并将其反馈到生成的视景中,使用户产生一种身临其境、完全投入和沉浸于其中的感觉。

1)沉浸式虚拟现实系统的特点

a. 具有高度的实时性。即当用户转动头部改变观点时,空间位置跟踪设备及时检测并输入计算机,由计算机计算,快速地输出响应的场景。为使场景快速平滑地连续显示,系统必须具有足够小的延迟,包括传感器的延迟,计算机计算延迟等。

b. 具有高度的沉浸感。沉浸式虚拟现实系统必须使用与真实世界完全隔离,不受外界的干扰,依据相应的输入和输出设备,完全沉浸在环境中。

c. 具有先进的软硬件。为了提供“真实”的体验,尽量减少系统的延迟,必须尽可能利用先进的、相容的硬件和软件。

d. 具有并行处理的工能。这是虚拟现实的基本特性,用户的每一个动作都涉及多个设备总和应用,例如,手指指向一个方向并说:“去那里”,会同时激活三个设备:头部跟踪器,数据手套及语音识别器,产生三个同步事件。

e. 具有良好的系统整合性。在虚拟环境中硬件设备相互兼容,并与软件系统很好地结合,相互作用,构造一个更加灵活灵巧的虚拟现实系统。

2)沉浸式虚拟现实系统的类型

常见的沉浸式虚拟现实系统有头盔式虚线现实系统、洞穴式虚拟现实系统、座舱式虚拟现实系统、投影式虚拟现实系统和远程存在系统等。

a. 头盔式虚拟现实系统。采用头盔显示器实现单用户的立体视觉、听觉的输出,使人完全沉浸在其中。

b. 洞穴式虚拟现实系统(CAVE)。该系统是一种基于多通道视景同步技术和立体显示技术的房间式投影可视协同环境,可提供一个房间大小的四面(或六面)立方体投影显示空间,供多人参与,所有参与者均完全沉浸在一个被立体投影画面包围的高级虚拟仿真环境中,借助相应虚拟显示交互设备(如数据手套、力反馈装置、位置跟踪器等),从而获得一种身临其境的高分辨率三维立体视听影响和6个自由度的交互感受。

c. 座舱式虚拟现实系统。座舱是一种最为古老的虚拟现实模拟器。当用户进入座舱后,不用佩戴任何显示设备,就可以通过座舱的窗口观看一个虚拟世界。该窗口有一个或者多个计算机显示器或者视频监视器组成,用来显示虚拟场景。(这种座舱给参与者提供的投入程度类似于头盔显示器)

d. 投影式虚拟现实系统。该系统是一个或多个大屏幕投影来实现大画面的立体视觉和听觉效果,使多个用户同时具有完全投入的感觉。

e. 远程存在系统。远程存在是一种远程控制形式,用户虽然与某个真是现场相隔遥远,但可以通过计算机和电子装置获得足够的感觉现实和交互反馈,恰似身临其境,并可以介入对现场进行遥操作。此系统需要一个立体显示器和两台摄像机生成的三维图形,这种图像使得操作员有一种深度的感觉,观看的虚拟境界更清晰、真实。

3. 增强虚拟现实系统

增强虚拟现实系统(Aggrandize VR)的产生得益于20世纪60年代以来计算机图形学技术的迅速发展,是近年来国内外众多知名学府和研究机构的研究热点之一。它是借助计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象,并通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中,借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体,并呈献给使用者一个感官效果真实的新环境。因此增强虚拟现实系统具有虚拟结合、实时交互和三维注册的新特点。

常见的增强虚拟现实系统主要包括基于台式图形显示器的系统;基于单眼显示器的系统;基于光学透视式头盔显示器的系统;基于视频透视式头盔显示器的系统。

增强现实是虚拟环境与真实世界之间的沟壑间架起的一座桥梁。因此,增强现实的应用潜力相当巨大,在尖端武器、飞行器的研制和开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用,而且由于其具有能够对真实环境进行增强现实输出的特性,在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域具有比其他VR技术更加明显的优势。

4. 分布式虚拟现实系统

分布式虚拟现实系统(Distributed VR)是一个基于网络的可供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境。在这个环境中,位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接,使多个用户同时参加一个虚拟现实环境,通过计算机与其他用户进行交互,共享信息,并对同一个虚拟世界进行观察和操作,以达到协同工作的目的。

分布式虚拟现实系统具有以下特征:

a. 共享的虚拟工作空间;
b. 伪实体的行为真实感;
c. 支持实时交互,共享时钟;
d. 多个用户以多种方式相互通信;
e. 资源信息共享以及允许用户自然操作环境中的对象。

目前,分布式虚拟现实系统在远程教育、科学计算可视化、工程技术、建筑、电子商务、交互式娱乐和艺术等领域都有着及其广泛的应用前景。利用它可以创建多媒体通信、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏和虚拟社区全新的应用系统。

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