虚拟现实技术：发展阶段与应用研究

2023-10-18 理论教育版权反馈

【摘要】：对虚拟现实状态的另一种分析使得我们可以为这个领域的发展阶段绘制一个时间表。例如,在华盛顿大学Harborview烧伤中心,Hunter Hoffman和他的同事使用虚拟现实减少遭受严重烧伤的病人的疼痛;Stephane Cotin等人提出了一个将力反馈应用于肝脏手术中的完整仿真系统。随着虚拟现实技术的日益普及,社会科学领域的研究人员,主要是认知科学领域的研究人员开始研究这一新范式:这开辟了未知的领域。

对虚拟现实状态的另一种分析使得我们可以为这个领域的发展阶段绘制一个时间表(图1-2-6)。

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图1-2-6　虚拟现实领域的发展

虚拟现实的发展可分为以下阶段:

(一)1960年以前

1960年以前的基础阶段:许多方法(甚至在今天的虚拟现实中使用的方法)在“虚拟现实”出现之前已经得到了完善。我们首次通过绘画(史前)、透视(文艺复兴)、全景展示(18世纪)、立体视觉和电影(19世纪)以及二战时英国飞行员的训练飞行模拟器来展现现实。最后,Morton Heilig从1956年开始在Sensorama中使用的多模态反馈,以及1969年他的Experience Theater(是所有大屏幕动态影院的前身),让我们有了沉浸感的概念,这是虚拟现实的核心。

(二)1960至1980年

1960至1980年的起步阶段:计算机科学的出现使所有基础元件得以发展,从而导致虚拟现实的出现。即使在今天,合成图像中用于表示虚拟环境的组件仍然是3D对象的建模和操作、算法使用(最重要的是Z-buffer算法)以及光和照明模型的处理。用于交互系统的组件,包括Sketchpad——第一个头戴式显示器(HMD),GROPE系统——第一个利用力反馈的项目(由Frederick Brooks于1971年在北卡罗来纳大学启动),构成了触觉反馈的基础。在应用方面,飞行模拟器相关的开发进展迅速,例如,由美国空军执行的VITAL和VASS项目。

(三)1980至1990年

1980至1990年的技术发展阶段:这一阶段的特点是专门针对3D交互技术发展。1985年,Michael McGreevy和Scott Fish(美国宇航局艾姆斯研究中心,NASA Ames Research)重新发现了虚拟现实显示系统,并给它起了一个名字——HMD(头戴式显示器),从此它就永远为人所知。1986年,Scott Fisher提出了空间化声音复原。美国人Jaron Lanier和法国人Jean-Jacques Grimaud创建了VPL Research公司,该公司利用数据手套和自己设计的视听设备,销售了首批虚拟现实应用程序。由于计算机设备的进步,Frederick Brooks的GROPE系统开始运行,其中包括操纵接近l500个原子的分子模型。

(四)1990至2000年

1990至2000年的应用实验阶段:在这10年中,材料和软件解决方案的集成使实现可信和可操作的实验性应用成为可能。让我们从电子游戏行业开始,它是最先预见虚拟现实的潜在好处,并使用专门为此开发的设备提供创新解决方案的行业之一。Virtuality(1991)、Sega VR(1993)、Virtual Boy(1995)和VFXA Headgear等一系列产品在20年后仍然影响着当今的解决方案。与交通相关的行业(汽车、航空、航天、海事)首先使用虚拟现实来设计车辆,然后学习如何驾驶它们。在这一时期,医疗行业也进行了一些VR的实验。例如,在华盛顿大学Harborview烧伤中心,Hunter Hoffman和他的同事使用虚拟现实减少遭受严重烧伤的病人的疼痛;Stephane Cotin等人提出了一个将力反馈应用于肝脏手术中的完整仿真系统。能源领域,特别是石油工业,也很早就认识到使用这些新技术的投资价值和可能的投资回报。

(五)2000至2010年(www.chuimin.cn)

2000至2010年的工业成熟阶段:在专注于产品设计和学习如何驾驶车辆之后,VR的应用逐渐向维护和培训发展,以及使用模拟来控制工业过程(例如从指挥室监视工厂)。

我们也可以看到越来越多的应用程序使用VR,以便更好地理解真实环境,特别是帮助决定后续。以石油行业为例,研究底土能优化钻井的位置。甚至是在金融界,可视化地研究共享收益和增长曲线组成的空间,能更好地决定采取什么行动(买入、卖出)。在产品设计中以及项目评审期间,也能更好地理解、更好地决策,这减少甚至消除了对物理模型的需求。在设备方面,这10年间学术界和(大型)公司在安装沉浸式空间(CAVE,尤其是SGI现实中心)方面取得了重大进展。用户还可以很容易地找到捕获、定位和定向设备,如力反馈臂(触觉反馈)。

最后,这一时期VR应用程序的发展出现了非常显著的变化。除了该领域先驱者采用的以技术为中心的设计方法之外,还出现了一种以人为中心的设计方法。这种变化是两个因素同时发生的结果。

随着虚拟现实技术的日益普及,社会科学领域的研究人员,主要是认知科学领域的研究人员开始研究这一新范式:这开辟了未知的领域。应用程序开发人员注意到某些用途被拒绝以及某些用户体验到的不适,开始寻找不只是纯技术的解决方案。从研究人员获得的知识和结果与开发人员的需求的融合中,产生了一种考虑到人的因素的、关于应用程序的新思维方式,这种方法今天仍在使用。

(六)2010年以后

2010年以后的大众普及阶段:最后一个时期的特点是新设备的大量出现,其费用比以前的设备低得多,同时提供了高水平的性能。这种反弹主要是由于智能手机和视频游戏的发展。尽管头戴式显示器在媒体上的曝光率最高(例如Oculus Rift、HTC Vive),但新的动作捕捉系统也出现了。这种爆炸式的增长导致媒体发表了许多相关文章,将这些技术的信息更广泛地传播给了公众。这些公告(即使是那些完全不现实的)首先面向那些小公司技术人员(小公司不像致力于设计VR-AR新用途的大型团体),其次直接向公众传达信息,并且可能让多个部门感兴趣。

与这种新设备(这只是冰山一角)相对应的是,新的软件环境也建立起来了,它们通常来自视频游戏(比如Unity 3D)。这使得来自上述中小企业的“新”开发人员能够独立开发他们的解决方案。

很明显,这只是VR-AR向公众开放的开始。经过一段时间的媒体喧嚣之后,真正的好处将会显现,毫无疑问,未来几年这些技术的大规模使用将会出现爆炸式增长。

这些事实绝不是该领域的详尽历史,本书作者旨在回答以下问题:过去10年发生了什么?在对过去10年来该领域演变中的重大事件进行描述之前,研究社会经济背景的演变对了解真正发生了什么变化是非常有益的。

事实上,10年的发展群体包括:研究开发基本方法和技术的实验室;大型工业实体,通常是制造业或依赖大型技术化基础设施的工业(例如PSA、雷诺、空中客车、SNCF等)。一些技术初创公司提出了软件工具和(通常是实验性的)设备,例如Haption、Virtools和Laster。

在许多雄心勃勃的项目中,由于这三类群体之间的协作,产品常常能顺利生产。对于应用程序开发人员和最终用户来说,专业的集成软件解决方案都是一个相当沉重的负担。

虚拟现实技术：发展阶段与应用研究

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