虚拟现实模拟的虚拟空间犹如身临其境, 逼真的视觉和听觉感受让使用者不自觉地认为自己进入到真实世界; 虚拟现实可利用计算机图像建模技术、全景拍摄技术和相关软件等能整合丰富的VR资源, 或创建丰富的VR作品, 具有众多的优点. 虚拟现实技术目前依然处于走向成熟的阶段, 还在发展一些关键技术, 而且使用者需要戴上头盔, 透过目镜才能在虚拟空间漫游、浏览虚拟物体和作品, 几乎与真实的外界隔绝, 无疑存在一些缺点.
2.1 虚拟现实的主要优点
沉浸式虚拟现实(VR)的主要硬件是头显设备, 或者说头盔. 头盔里主要有显示3D图像的显示屏、产生立体感的光学器件、形成沉浸感的目镜以及产生交互作用的传感器和相应的器件. 目镜的主要作用是放大视场角和放远视场, 用户透过目镜后的屏幕成像才能沉浸在虚拟现实的环境中, 漫游体验时才能形成身临其境的感觉(临场感或沉浸性). 现在, 用户戴上由人体工学设计的高质量头盔, 感觉还算舒服[4]; 进入虚拟空间后, 还能以比较自然的方式与虚拟对象实时交互, 完成相应的动作或功能, 仿佛沉浸在真实世界的环境中, 具有强烈的吸引力.
VR的一大优势就是利用计算机图像建模技术, 能够创造梦幻般的VR作品, 能打破时间和空间的局限性, 构建真实世界中是几乎不能完成的、或者在现实生活中没有的、或者成本较高的和难以构建的现实场景. 例如, VR游戏《无界术士》, 玩家将命运掌握在自己手中, 变成一名强大的无界术士, 在这个魔幻世界中尽情施展魔法, 摧毁敌人！又例如, VR科幻电影《ABE VR》, 是2016年6月推出的全球首部限制级虚拟现实的电影, 限制15岁以上的群体观看, 在这个故事中, 观众跟随一个机器人去寻找人类无条件的爱, 最后却走向了可怕和扭曲的机器人血腥屠杀的场面.
VR的另一大优势就是利用全景拍摄技术拍摄真实的场景, 再利用计算机图像建模技术、和虚拟现实系统开发软件(如Unity 3D和Unreal Engine等)协同工作, 创建内容丰富的VR作品, 或开发各行各业逼真的模拟仿真软件. 例如, VR应用于医学领域, 在动物实验和尸体解剖等进行虚拟现实的教学培训时, 其逼真的情境就和真实世界的动物实验和尸体解剖的一样, 使用户在系统中获得近似于真实实验的操作体会, 该技术的使用可以节约大量的试验设备, 样本如试验动物、组织等, 一次性投入使用, 重复利用率高, 学生和老师等用户都可以进行操作、测试、分析以及研究, 这钟VR模拟仿真软件同样能提高用户的动手能力[11].
VR在教育培训中具有不少优点, 虚拟现实的教学能使学习者在内容丰富的虚拟学习环境中磨合(hone)自己的知识、创造力和分析问题讲解问题的技能, 能充分发挥自己的特长, 自主地学习训练, 而且还能自由地一遍又一遍地重复学习训练, 为教育培训提供了处理现实世界问题的比较好的解决方案[12]. 虚拟现实的教学使学生在个性化的学习过程中, 激发强烈的学习积极性和主动性, 对学业精益求精, 能发展分析问题和解决问题的能力, 有效地培养学生的工匠精神[13]. VR采用传感手套等比较自然的交互方式, 学习者几乎全身心地漫游在教育培训的虚拟空间中, 能调动受教育者全部感觉器官, 逼真的视觉和听觉感受使体验者不自觉地认为自己进入到真实世界, 这种教学模式是一种体验式的教学, 由体验得来的知识并非老师们的经验传授, 而是学习者自身感知得来的, 这种体验式的学习更容易形成长时间的记忆[14].
VR在宣传推广中的应用具有现代媒体无法比拟的优点, 采用全景照相摄影等VR技术制作宣传推广的作品: 商业销售推广、校园虚拟仿真、报道重大事件、战地新闻、体育新闻、奥运会比赛、博物馆和旅游等虚拟体验, 观众好像在现场“ 亲眼目睹”. 例如, 日本东京一家百货公司的厨房用品出售部设计了一个简易的虚拟现实系统, 售货员向该系统输入顾客住宅里的厨房尺寸, 顾客戴上VR头显和数据手套后, 就会发现自己置身于一间和自家厨房一样大小的房间里, 橱柜门可以打开, 水龙头可以出水, 这个虚拟环境中的炊具和摆设也可以随意移动, 每一件东西可按照自己的意思摆设, 顾客完成了炊具和摆设的选择后, 售货员就命令系统记录这些选择, 然后由百货公司将这些记录的东西运过去, 并根据顾客的设计, 负责装修一个新厨房[15]. 虚拟现实技术在这个商业销售推广的应用中, 用户能对展示商品的全面理解, 吸引客户的兴趣, 增强用户购买相应产品和服务的欲望.
VR在工业产品设计和开发工程中已经显示了优点, 能获得与真实工件相同的模拟仿真的效果, 使抽象的概念具体化, 可提高生产效率和降低成本, 与传统的设计和开发相比, 能节省大量的人力和物力, 增强本企业的竞争力[9]. 例如, 波音公司设计777号运输机的时候, 主要运用了虚拟现实的传感技术和图形处理技术, 把设计模板投射在真实的工作台上, 简化零件和飞机的建造过程. 波音公司通过虚拟现实的设计和开发, 与传统的设计和开发相比, 节省了大量的人力和物力, 增强了本企业的竞争力.
VR在通讯社交中的应用也已经显示了优点, 如具有逼真的立体感, 可将远距离的社交变成一种面对面的沟通[8]. 该技术在通讯社交中的应用是指分布式虚拟现实系统(DVR)的应用, 不同地理位置的多个用户通过网络相连接, 在虚拟环境中交流互动, 或者共享信息和资源, 协作完成任务, 例如, VR已经应用于远程教育场景中, 在线学习者和在线教师交流互动, 有利于营造逼真的学习氛围, 促进学习者进步[1]. 移动VR(如Google Cardboard 和三星Gear VR)尽管成像质量不佳, 但具有任何时候和任何地方(anytime, anywhere)体验3D的优点, 现在依然有不少的用户.
利用VR技术开发的虚拟仿真软件特别适合那些具有较强的灾害性和危险性的, 或者解决资源紧缺的, 或者在现实生活难以构建的场景, 如医疗、灾害危险场景、历史场景、跨国场景、特殊教育、航空航天、军事演习、宇宙与海洋等场景, 能节省大量资金、人力和物力. 例如, Michael J. Amirian等研究了一组学生参加虚拟仿真的外科缝合技术的培训, 并与真实实验培训的另一组相比较, 结果发现这两组学生掌握的技术没有多少不同, 证实了虚拟现实的仿真培训的有效性[16], 而且节省资源资金.
虚拟现实设备与具有一定功能设备的配合使用, 或者通过网络配合使用, 在航天航空、军事、应急等培训方面具有广阔的应用, 并能大大地降低成本. 例如, 美国在高速专用网上开展了对于军事综合训练场的研究, 创建了一个覆盖了500×750公里的大范围, 能够让海陆空三大兵种的3700个仿真实体共同参与到虚拟的演练环境之中, 三大兵种在一起进行了非常逼真的协同作战演练, 完成战斗任务.
2.2 虚拟现实的主要缺点
虚拟现实技术(VR)对硬件设备的要求比较高, 在体验过程中, 设备的好坏直接关系到沉浸式体验的效果. 目前沉浸式VR还处于不成熟的阶段, 一些关键技术正在研究、改进和完善, 比如高清晰的全景三维显示技术和比较自然的交互方式等, 相关的硬件设备存在使用不方便、效果不理想的情况, 难以达到虚拟现实系统所需的要求, 影响了用户体验的兴趣; 虚拟现实的设备(运行速度快、图像质量显示高的计算机和VR套件)的价格依然比较贵, 需要大量资金支持.
用户体验VR作品时, 需要戴上头盔, 几乎与真实的外界隔绝, 透过目镜才能在虚拟空间漫游体验、浏览虚拟物体和作品, 使用者在这种环境中漫游体验, 眼睛容易疲劳, 时间久了感觉晕眩和头痛等负面影响, 主要原因是屏幕成像与用户交互作用的滞后、通过目镜观看3D图像与真实图像的差距、以及戴上头盔的不舒适度等引起的. 在虚拟环境漫游体验久了, 还可能分不清真实世界和虚拟世界的物体; 如果是儿童戴上VR头盔, 还有可能伤害他们的视觉系统, 故美国Oculus Rift和韩国三星Gear VR 建议13岁以上的少年使用, 而PlayStation VR和HTC Vive 等厂家禁止12岁以下的儿童使用[7]. 用户体验VR作品时的必备条件是要戴上VR头盔, 产生这些缺陷是难于避免的, 但这些VR缺陷可以通过立法限制或缩短漫游体验的时间来克服.
目前相关的VR软件比较多, 这些软件的语言专业性比较强, 通用性和易用性比较差, 相关模型构建工作比较复杂, 普遍存在建模工作量大, 系统平台的应用软件的开发需要大量的精力和花费, 开发成本昂贵; VR专业人员还比较少, VR作品和VR仿真的应用软件还比较少, VR资源比较少; VR应用软件和作品所能实现的范围受到限制, 不同产商生产的VR产品的标准还不一样, 开发出来的VR应用软件和VR作品还不能通用.
目前, VR在教育培训的应用层面还存在缺点. 一些教师特别是年龄比较大的教师的教学方式难于改变, 乐于采用传统的教学方式, 他们如果应用VR新型教学模式, 感觉不舒适, 这种新型教学模式难以起到积极的作用. 实践表明, 任何对VR具有负面看法的人, 戴上了高质量的VR头显设备(目前指HTC Vive、Oculus Rift和PlayStaion VR(PS VR))进行体验后, 每个人都发生了改变, 成为了VR的积极支持者[4], 这些教师通过体验, 或者需要通过一定时间的培训, 无疑会适应这种新型的虚拟现实教学工具.
3 虚拟现实的发展趋势
虚拟现实技术经过近几年的快速发展, 各方面性能逐步完善, 应用前景十分广阔, 但远没有大众化. 在未来, 虚拟现实技术的设备及服务需要进一步发展完善, 能营造智能化和实用型虚拟现实的应用环境, 减少技术使用层面的困难, 开发更多的内容丰富的VR作品或虚拟仿真应用软件, 使虚拟现实技术获得更加普遍的推广和应用.
3.1 虚拟现实硬件的发展趋势
虚拟现实的硬件除了计算机外, 主要硬件是头盔. 头盔由显示屏、光学器件、目镜以及传感器和相应的器件组成. 显示屏用来显示3D图像, 光学器件用来产生立体感, 目镜用来形成沉浸感, 传感器和相关的器件用来产生交互作用. 目前, 虚拟现实技术还不完善, 首先是沉浸式的三维图像显示的质量不高, 还不能达到以假乱真的程度,其次是虚拟现实的交换方式还不能令人满意, 还没有以比较自然的方式与虚拟对象进行交互. 在一段比较长的时间内, VR公司需要研发和提供高质量的VR头显设备.
3.1.1 进一步提高虚拟现实中三维图像的显示质量
沉浸式虚拟现实中三维图像的显示质量除了与计算机的显卡等有关外, 主要与头盔中显示屏(液晶板)有关. 现在, 高质量的计算机显卡已经符合要求. 今后, 提高三维图像的显示质量, 就是制造高质量的液晶板, 尽可能地提高其分辨率和刷新率. 令人欣慰的是, 一些液晶板厂家正在研发新型液晶板, 以便显示高质量的三维图像, 例如, 韩国的三星公司正在加大力度, 做这方面的工作[4].
3.1.2 在虚拟现实中尽可能地以比较自然的方式进行交互
目前, 虚拟现实的交互方式采用眼睛转动跟踪识别、动作识别和语音识别等人工智能(AI)技术, 实现与虚拟对象互动, 这使鼠标和键盘的交互方式或触摸的交互方式变为多余[5]. 这种交互方式被称为人机交互的新革命[7], 也被称为人机交互史上的第三次革命, 第一次为键盘和鼠标与计算机的人机交互方式, 第二次为触摸的人机交互方式. 为了在虚拟空间的交互感受与在现实世界的类似, 必需具备简单实用的多感知交互手段, 而目前的交互手段还达不到这个要求. 因此, VR公司还需要研发包含传感技术和人工智能的多感知设备, 该感知设备能在虚拟环境以比较自然的方式和虚拟对象进行交互作用, 同样令人欣慰的是, 一些VR公司在开发这种高技术的感知设备, 例如, 日本的SORY 正在研发这种设备[4]. 不久的将来, 交互方式更加自然的感知设备会研发出来.
3.1.3 虚拟现实头盔进一步轻巧化和舒适化
虚拟现实技术必需使用目镜放大视角和放远视场, 用户透过目镜后的屏幕成像才能沉浸在虚拟现实的环境中. 现在, 用户在虚拟空间漫游体验的时间久了, 眼睛依然容易疲劳, 感觉晕眩和头痛等负面影响. 但是, 随着科学技术的发展, 未来采用高质量的屏幕, 成像质量更高和显像时间更快; 再采用新型光学材料制成的目镜, 能进一步减小体积和重量. 根据人体工学设计的头盔将会进一步轻巧, 更加舒适, 晕眩和头痛的负面影响将会进一步减少.
3.2 虚拟现实应用的发展趋势
虚拟现实的应用从应用的方式看, 包含四个方面: 虚拟现实(包括VR套件、计算机和相应的软件等)的直接应用, 虚拟现实在网络中的应用, 虚拟现实和特定功能设备的配合应用, 在网络中虚拟现实和特定功能设备的配合应用. |
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