虚拟现实及触觉交互技术：趋势与瓶颈

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1、虚拟现实及触觉交互技术：趋势与瓶颈【摘要】虚拟现实是当前的前沿和热点。本文阐述了虚拟现实的概念、发展历程、虚拟现实系统及部分关键技术，并对虚拟现实、增强现实、介导现实和混合现实等概念的内涵进行了溯源和诠释。虚拟现实在N涵上既有交集又各有特异性，难以简单地用包含或被包含关系去进行描述。触觉技术对于虚拟现实系统的交互性具有重要价值，在阐述虚拟现实系统的基础上，论文进一步介绍了触觉交互涉及的触觉传感和触觉显示技术及相关产品。论文最后讨论了制约虚拟现实发展的一些关键技术瓶颈。【关键词】虚拟现实触觉交互增强现实介导现实混合现实【中图分

2、类号】TP24【文献标识码】A【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2016.24.005虚拟现实是以视觉表达为主体的一种艺术表现形式。视觉艺术在人类历史进程中发挥着重要的作用，古老的壁画、西汉的皮影，以及近现代的影视艺术等，无一不是社会历史阶段经济生活及科技水平的写照，承载着人类文明的精华。艺术源于生活而高于生活，它们既记录了社会生活的方方妞面，也寄托了人们对美好生活和未来的憧憬，既可以生动地展现故事情节，又能够为人们带來视觉观感的享受。虚拟现实是一种可以让人们体验虚拟空间并与之交互的三维环境模拟系统

3、，是视觉表达最为完美的艺术表现形式，具有很强的沉浸感，可以带来梦幻般的多感官体验。什么是虚拟现实虚拟现实对应的英文关键词是virtualreality,意指虚拟的现实，可以理解为计算机再现的“现实”。虚拟现实有两层含义，第一它是“现实”，是真实的;第二它是虚拟的，既可以是假的“现实”，可以是数字化的“现实”，也可以是计算机构造的“现实”，这个假的“现实”所依赖的平台是一个由计算机模拟生成的三维的虚拟空间，这个空间可以提供视觉、听觉、触觉、味觉及嗅觉等感官的全方位的模拟，可以让使用者如同置身于一个完全真实的三维环境中，可以及时

4、、无限制地观察三维空间内的事物。多感知性、沉浸性、交互性和构想性被认为是虚拟现实最为显著的几个典型特征。所谓多感知性是指置身虚拟现实环境屮的主体除可以通过视觉观察三维空间外，至少还应该能够通过听觉、触觉、味觉或嗅觉中的一种或儿种感知三维空间巾的事物，并与之交互。理想的虚拟现实应该具备人类所具有的一切感知功能，但受技术限制，目前虚拟现实能够提供的感知功能极为冇限。通常情况下，虚拟现实系统都会提供视觉和听觉感知，而其他感觉功能则相对少见。随着触觉显示技术的进步，近年来已出现为虚拟现实系统提供触觉感知功能的触觉手套和力反馈装置，预

5、计未来的3〜5年内，触觉功能很可能会和视觉和听觉功能一样成为虚拟现实系统的基本配置。嗅觉和味觉的技术发展相对滞后，由于涉及到人体感官的化学反应，且主要为气体和液体刺激，嗅觉和味觉技术突破的难度较大，除个别特例外，难以被广泛应用。沉浸性又称为临场感，强调用户体验的真实性，置身于虚拟现实环境中的主体，所感所知应和现实世界中的体验近乎一致，难以分辨真假，虚拟环境中的事物不仅视觉真实，听觉和触觉也是真实的，甚至嗅觉和味觉的体验也和现实世界一致。交互性强调虚拟环境中事物的可操作性，以及操作过程中交互的实时性和自然程度。例如，用户用手直

6、接抓取模拟环境中的虚拟物体时，手应有触碰到物体的感觉，进一步地，当用户抓住虚拟物体后，应能够感觉到物体的重量，被抓的物体还能够随着手的移动而移动。构想性强调虚拟现实应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类的认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的对象甚至是不可能发生的环境。以上是虚拟现实比较典型的几个特征，随着AR和MR的到来，虚拟现实的特征可能会有所调整和扩展。虚拟现实是融合了视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等诸多感官的输入和输出的可交互系统，将能够带给人们全真的身临其境的感觉。虚拟现实简史虚拟现实是一个逐渐形

7、成的概念，其技术方法由远及近是一个不断进步、并在内涵上不断调整和丰富的过程。人类的社会活动中很早就出现了虚拟现实的萌芽。始于十九世纪的全景壁画应该是最早的虚拟现实，它可以覆盖观众的全部视野，使其感到正在亲临某个历史事件或者场景。1838年，CharlesWheatstone发现人类大脑对三维对象的感知是通过两只眼睛获取的两个二维图像合成得到的，进一步的研究表明，通过发明的体视镜观看两个并排的图片，可以让大脑获得关于图片对象的深度感和沉浸感。该方法沿用至今，是谷歌纸盒和当前低成木虚拟现实头戴式显示器的技术基础。1929年，Ed

8、wardLink发明了可能是最早商业化的飞行模拟器“Link教练机”（专利1931）。上世纪30年代，科幻作家StanleyG.Weinbaum出版了第一本探讨虚拟现实的科幻小说“Pygmalion的眼镜”。1956年，摄影师MortonHeilig发明了包含全部感官刺激的街机剧院Sens