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根據用戶參與和沉浸感的程度,通常把虛擬現實分為4大類:桌面虛擬現實系統、沉浸式虛擬現實系統、增強虛擬現實系統和分布式虛擬現實系統。
1. 桌面虛擬現實系統
桌面虛擬現實系統(Desktop VR)基本上是一套基於普通PC平台的小型桌面虛擬現實系統。使用個人計算機(PC)或初級圖形PC工作站去產生仿真,計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬環境的窗口。用戶坐在PC顯示器前,戴着立體眼鏡,並利用位置跟蹤器、數據手套或者6個自由度的三維空間鼠標等設備操作虛擬場景中的各種對象,並可以在360度范圍內瀏覽虛擬世界。然而用戶是不完全投入的,因為即使戴上立體眼鏡,屏幕的可視角也僅有20度--30度之間,仍然會受到周圍現實環境的干擾。
桌面虛擬現實系統雖然缺乏頭盔顯示器的投入效果,但已經具備了虛擬現實技術的技術要求,並且其成本相對低很多,所以目前應用較為廣泛。例如:學生可在室內參觀 虛擬校園、虛擬教室或虛擬實驗室等;虛擬小區、虛擬樣板房不僅為買房者帶來了便利,也為上架帶來了利益。桌面虛擬現實系統主要用於計算機輔助設計、 計算機輔助制造、建築設計、桌面游戲、軍事模擬、生物工程、航天航空、醫學工程和科學可視化等領域。
圖1.虛擬房產 圖2.虛擬建築
圖3.虛擬實驗室 圖4.虛擬游戲
2. 沉浸式虛擬實現系統
沉浸式虛擬現實系統(Immersive VR)是一種高級的、較理想、較復雜的虛擬現實系統。它采用的封閉的場景和音響系統將用戶的視聽覺和外界隔離,使用戶完全置身於計算機生成的環境中,用戶通過利用空間位置跟蹤器、數據手套和三維鼠標等輸入設備輸入相關數據和命令,計算機根據獲取的數據測得用戶的運動和姿態,並將其反饋到生成的視景中,使用戶產生一種身臨其境、完全投入和沉浸於其中的感覺。
1)沉浸式虛擬現實系統的特點
a. 具有高度的實時性。即當用戶轉動頭部改變觀點時,空間位置跟蹤設備及時檢測並輸入計算機,由計算機計算,快速地輸出響應的場景。為使場景快速平滑地連續顯示,系統必須具有足夠小的延遲,包括傳感器的延遲,計算機計算延遲等。
b. 具有高度的沉浸感。沉浸式虛擬現實系統必須使用與真實世界完全隔離,不受外界的干擾,依據相應的輸入和輸出設備,完全沉浸在環境中。
c. 具有先進的軟硬件。為了提供“真實”的體驗,盡量減少系統的延遲,必須盡可能利用先進的、相容的硬件和軟件。
d. 具有並行處理的工能。這是虛擬現實的基本特性,用戶的每一個動作都涉及多個設備總和應用,例如,手指指向一個方向並說:“去那里”,會同時激活三個設備:頭部跟蹤器,數據手套及語音識別器,產生三個同步事件。
e. 具有良好的系統整合性。在虛擬環境中硬件設備相互兼容,並與軟件系統很好地結合,相互作用,構造一個更加靈活靈巧的虛擬現實系統。
2)沉浸式虛擬現實系統的類型
常見的沉浸式虛擬現實系統有頭盔式虛線現實系統、洞穴式虛擬現實系統、座艙式虛擬現實系統、投影式虛擬現實系統和遠程存在系統等。
a. 頭盔式虛擬現實系統。采用頭盔顯示器實現單用戶的立體視覺、聽覺的輸出,使人完全沉浸在其中。
b. 洞穴式虛擬現實系統(CAVE)。該系統是一種基於多通道視景同步技術和立體顯示技術的房間式投影可視協同環境,可提供一個房間大小的四面(或六面)立方體投影顯示空間,供多人參與,所有參與者均完全沉浸在一個被立體投影畫面包圍的高級虛擬仿真環境中,借助相應虛擬顯示交互設備(如數據手套、力反饋裝置、位置跟蹤器等),從而獲得一種身臨其境的高分辨率三維立體視聽影響和6個自由度的交互感受。
c. 座艙式虛擬現實系統。座艙是一種最為古老的虛擬現實模擬器。當用戶進入座艙后,不用佩戴任何顯示設備,就可以通過座艙的窗口觀看一個虛擬世界。該窗口有一個或者多個計算機顯示器或者視頻監視器組成,用來顯示虛擬場景。(這種座艙給參與者提供的投入程度類似於頭盔顯示器)
d. 投影式虛擬現實系統。該系統是一個或多個大屏幕投影來實現大畫面的立體視覺和聽覺效果,使多個用戶同時具有完全投入的感覺。
e. 遠程存在系統。遠程存在是一種遠程控制形式,用戶雖然與某個真是現場相隔遙遠,但可以通過計算機和電子裝置獲得足夠的感覺現實和交互反饋,恰似身臨其境,並可以介入對現場進行遙操作。此系統需要一個立體顯示器和兩台攝像機生成的三維圖形,這種圖像使得操作員有一種深度的感覺,觀看的虛擬境界更清晰、真實。
3. 增強虛擬現實系統
增強虛擬現實系統(Aggrandize VR)的產生得益於20世紀60年代以來計算機圖形學技術的迅速發展,是近年來國內外眾多知名學府和研究機構的研究熱點之一。它是借助計算機圖形技術和可視化技術產生現實環境中不存在的虛擬對象,並通過傳感技術將虛擬對象准確“放置”在真實環境中,借助顯示設備將虛擬對象與真實環境融為一體,並呈獻給使用者一個感官效果真實的新環境。因此增強虛擬現實系統具有虛擬結合、實時交互和三維注冊的新特點。
常見的增強虛擬現實系統主要包括基於台式圖形顯示器的系統;基於單眼顯示器的系統;基於光學透視式頭盔顯示器的系統;基於視頻透視式頭盔顯示器的系統。
增強現實是虛擬環境與真實世界之間的溝壑間架起的一座橋梁。因此,增強現實的應用潛力相當巨大,在尖端武器、飛行器的研制和開發、數據模型的可視化、虛擬訓練、娛樂與藝術等領域具有廣泛的應用,而且由於其具有能夠對真實環境進行增強現實輸出的特性,在醫療研究與解剖訓練、精密儀器制造和維修、軍用飛機導航、工程設計和遠程機器人控制等領域具有比其他VR技術更加明顯的優勢。
4. 分布式虛擬現實系統
分布式虛擬現實系統(Distributed VR)是一個基於網絡的可供異地多用戶同時參與的分布式虛擬環境。在這個環境中,位於不同物理環境位置的多個用戶或多個虛擬環境通過網絡相連接,使多個用戶同時參加一個虛擬現實環境,通過計算機與其他用戶進行交互,共享信息,並對同一個虛擬世界進行觀察和操作,以達到協同工作的目的。
分布式虛擬現實系統具有以下特征:
a. 共享的虛擬工作空間;
b. 偽實體的行為真實感;
c. 支持實時交互,共享時鍾;
d. 多個用戶以多種方式相互通信;
e. 資源信息共享以及允許用戶自然操作環境中的對象。
目前,分布式虛擬現實系統在遠程教育、科學計算可視化、工程技術、建築、電子商務、交互式娛樂和藝術等領域都有着及其廣泛的應用前景。利用它可以創建多媒體通信、設計協作系統、實境式電子商務、網絡游戲和虛擬社區全新的應用系統。