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虚拟现实技术在新媒体报道中应用的前世今生
魏岳江
摘 要：在今年,虚拟现实技术（VR）已成为业界热词,一些主流媒体尝试VR报道,VR产业发展如火如荼.随着移动互联网、云计算、物联网、大数据等信息技术应用广泛,VR技术成为未来众多创新应用的基础平台.本文对VR的发展历程进行了梳理,并对其未来发展趋势进行了展望.
关键词：虚拟现实技术 新媒体 报道应用
虚拟现实技术（VR）现已进入公众的视野,特别是今年全国“”VR成为新媒体报道的高频词,一些主流媒体首次尝试VR报道,甚至有专家预言VR代表下一代互联网发展的趋势.随之而来的有关VR产业的报告也轮番出炉,VR产业蜂拥而起,阿里巴巴成立VR实验室,暴风TV发布首款VR电视,华为公布其第一代VR眼镜产品……可以预见,不久的将来移动互联网、云计算、物联网、大数据等信息技术应用广泛,正推动VR技术成为未来众多经济社会创新应用的基础平台.那么,什么是VR？其前世今生、发展趋势如何？
了解掌握虚拟现实技术原理,正确认识它与模拟仿真的区别
虚拟现实技术（VR）也称灵境技术,是随着微电子技术不断进步而逐步发展起来的一种崭新三维空间环境再现技术.VR是一种以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统的技术.也就是说,VR利用计算机生成一种模拟环境,利用多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中.截至目前,世界上还没有关于它的普遍适用的定义,但一般可以认为,它利用各种人机交互技术为人类在现实空间之外创造了另一个尽可能真实、互动的身临其境的虚幻世界,使人类可以漫游其中,体验最真实的虚拟空间,不受任何限制地在自己的梦想里散步.VR已经广泛应用于新媒体、航天、军事、工程等各种尖端科技领域中,并将作为一种先进的技术手段更为广泛的应用于并影响我们的日常生活.由于虚拟现实在人机交互中使用的显示器大多是头盔式增强型随身看显示系统,所以,它是随身看显示系统最有前景的应用领域之一.VR用户只需戴上虚拟现实装备,如头盔、眼镜等,就可以身临其境地感受到设备中设置好的各种场景.VR系统一般包括用户控制系统（如人体运动监测、控制杆、键盘、鼠标等控制设备）和视觉、听觉、触觉、嗅（味）觉等人类感觉方面的仿真反馈系统、处理系统,以及人类感知的信息显示系统（显示器、音响、三维座椅）.其中,视觉、听觉的控制和仿真是目前VR较为主要的发展方向,而头盔式增强型随身看显示系统则是用户使用的主要产品形式.
VR是依赖于大量的计算机软件技术如人工智能、模式识别、图形学、底层接口等技术和新型显示技术、场传感器技术、力量反馈系统、无线有线通讯等技术综合应用的一门边缘学科.从本质上讲,VR是对现实世界的再现和梦境的实现；从技术角度讲,它是软件、硬件领域的前沿技术综合应用和面对对象的综合技术开发.VR将可以使人们在头戴一个头盔式增强型随身看系统的情况下,身临其境的体验一把梦幻似的虚拟现实.其实,这些虚拟现实场景,就是使用复杂的软件技术,预先在计算机中构造一个真正的虚拟空间,空间中的每一个点都具有Ｘ、Ｙ、Ｚ坐标、色彩、法线、逻辑关系等众多维度的信息,计算机再通过传感器、操纵杆、鼠标等用户输入设备确定虚拟场景中人的六个自由度位置,最后通过计算机将画面再现到用户眼前,从而创造出虚拟空间.这样的一系列工作如果能够连贯起来,并且整个系统一个周期的运算时间少于人的视觉暂留时间,用户就会在头戴式增强型随身看显示系统的大型虚像显示屏幕上拥有身临其境地在虚拟现实世界中漫游的感觉了.VR就是创造一个虚拟的环境,让你觉得这就是现实,通过这个虚构的现实来娱乐你、吸引你.
然而,不能把虚拟现实和模拟仿真混淆,两者是有一定区别的.概括地说,虚拟现实是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技术拓展.我们可以举一个烟尘干扰下能见度计算的例子来说明这个问题.在构建分布式虚拟环境基础信息平台应用过程中,经常会有由燃烧源产生的连续变化的烟尘干扰环境能见度的计算,从而影响环境的视觉效果、仿真实体的运行和决策.某些仿真平台和图形图像生成系统也研究烟尘干扰下的能见度计算,仿真平台强调烟尘的准确物理模型、干扰后的能见度精确计算以及对仿真实体的影响程度；图形图像生成系统着重于建立细致的几何模型,估算光线穿过烟尘后的衰减.而虚拟环境中烟尘干扰下的能见度计算,不但要考虑烟尘的物理特性,遵循烟尘运动的客观规律,计算影响仿真结果的相关数据,而且要生成用户能通过视觉感知的逼真图形效果,使用户在实时运行的虚拟现实系统中产生身临其境的感受和体验.
虚拟现实技术诞生于20世纪60年代,美国是发源地
20世纪60年代,VR技术就已存在了,但可能需要搬很笨重的一台设备来体验,因此,在军工、航空等特别少的专业领域才会用到VR.美国虚拟现实研究技术的水平基本上就代表国际虚拟现实技术发展的水平.20世纪90年代,美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面.美国宇航局研究的重点放在对空间站操纵的实时仿真上,大量运用了面向座舱的飞行模拟技术.如对哈勃太空望远镜的仿真,到制定一个叫“虚拟行星探索”的试验计划,这一项目能使“虚拟探索者”利用虚拟环境来考察遥远的行星,他们的第一个目标是火星.现在已经建立了航空、卫星维护虚拟现实技术训练系统,空间站虚拟现实技术训练系统,并且已经建立了可供美国使用的虚拟现实技术教育系统.北卡罗来纳大学是进行虚拟实现技术研究最早最著名的大学.他们主要研究：分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等.在显示技术上,该所大学开发了一个帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示的并行处理系统,叫做像素飞机.麻省理工学院是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构.原先就是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋,这些技术都是虚拟现实技术的基础,1985年成立了媒体实验室,进行虚拟环境的正规研究.华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室在新概念的研究中起着领先作用,同时也在进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究.他们将虚拟现实技术研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域.例如,波音公司的V22运输机就是先在实验室中造出虚拟机后再投入生产的.伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中,支持远程协作的分布式虚拟现实技术系统,不同国家、不同地区的工程师们可以通过计算机网络实时协作进行设计.在设计车辆的过程中,各种部件都可以共享一个虚拟环境,并且可以查看对方任何一个位置的视频传递和相应的定位方向.在系统中采用了虚拟原型,从而减少了设计图像和新产品进入市场的时间,这样产品在生产之前就可以估算和测试,并且大大地提高了产品质量.乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统.在一个分布交互式仿真系统中仿真真实世界复杂流体的物理特性,包括仿真正在穿过水面行驶的船、仿真搅拌液体、仿真混合不同颜色的液体、仿真混合不能溶解的油和水、仿真下雨和流动的地形以及仿真流体的相互影响等特性.
分布式虚拟现实系统是虚拟现实技术最佳系统,全媒体进入到VR/AR(MR)时代
虚拟网络视频直播、虚拟图文网络直播成为今年全国“”的新亮点.“”期间,《人民日报》采取VR（虚拟现实技术）、H5（第五代应用超文本标记语言）、360度相机,让今年全国“”更加清晰透明、立体直观、全方位播报.网民只要打开客户端,佩戴VR眼镜,新媒体设备不仅记录会议立体多维空间动态全景,而且让网民感觉自己仿佛就是现场观众,身临其境地观察“”现场的精彩效果.网民用手点击鼠标或在手机屏幕上随意滑动手指,眼前就能看到会场的主席台、发言席、任何座次位置,以及代表委员精神面貌.《人民日报》记者还使用一款安装多个摄像头的360度全景相机,进行全方位、多角度立体拍摄,既能记录李克强总理作报告时的神情,也能录制主席台上各位代表以及整个会场代表的精神状态.新华社对新闻发布会的直播页面中,多名记者滚动发布现场文字、图片、录音与视频,并启动VR全程直播模式.发布会刚结束,《光明日报》融媒体作品《政协新闻发布会VR实况》就已通过微信、微博传播出去,许多委员还带上虚拟现实技术产品“VR眼镜”亲身体验到光明网制作的VR全景视频新闻.其他省、自治区、直辖市的融媒体团队今年对“全景会场”报道技术也进行了升级,有的首次使用VR全景视频技术,在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉,让网民走到代表委员座位旁边,亲临会场当观众.
近年来,计算机、通讯技术的同步发展和相互促进成为全世界信息技术与产业飞速发展的主要特征.特别是网络技术的迅速崛起,使得信息应用系统在深度和广度上发生了本质性的变化,分布式虚拟现实系统（DVR）即是一个较为典型的实例.所谓DVR是指一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统,每个用户在一个虚拟现实环境中,通过计算机与其它用户进行交互,并共享信息.分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟环境,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联结.根据分布式系统环境下所运行的共享应用系统的个数,可把DVR系统分为集中式结构和复制式结构.集中式结构是只在中心服务器上运行一份共享应用系统.该系统可以是会议代理或对话管理进程.中心服务器的作用是对多个参加者的输入/输出操纵进行管理,允许多个参加者信息共享.它的特点是结构简单,容易实现,但对网络通信带宽有较高的要求,并且高度依赖于中心服务器.复制式结构是在每个参加者所在的机器上复制中心服务器,这样每个参加者进程都有一份共享应用系统.服务器接收来自于其它工作站的输入信息,并把信息传送到运行在本地机上的应用系统中,由应用系统进行所需的计算并产生必要的输出.它的优点是所需网络带宽较小.另外,由于每个参加者只与应用系统的局部备份进行交互,所以,交互式响应效果好.但它比集中式结构复杂,在维护共享应用系统中的多个备份的信息或状态一致性方面比较困难.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、艺术等领域都有着极其广泛的应用前景.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、虚拟社区全新的应用系统.如教育应用：把分布式虚拟现实系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、化合物分子结构显示等领域,由于数据更加逼真,大大提高了人们的想象力,激发了受教育者的学习兴趣,学习效果十分显著.同时,随着计算机技术、心理学、教育学等多种学科的相互结合、促进和发展,系统因此能够提供更加协调的人机对话方式.工程应用：当前的工程很大程度上要依赖于图形工具,以便直观地显示各种产品.分布式虚拟现实系统的应用将使工程人员能通过全球网或局域网按协作方式进行三维模型的设计、交流和发布,从而进一步提高生产效率并削减成本.
随着VR硬件设备市场资本不断涌入,VR头盔等硬件载体如雨后春笋般问世,全景摄像机首当其冲,我们将进入到VR/AR时代.AR即增强现实技术,如今全世界也仅仅只有二十多家权威的公司在进行研究,微软的技术已经非常熟练,目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动.这种技术在1990年提出.随着随身电子产品CPU运算能力的提升,预期增强现实的用途将会越来越广.从本质上来说,AR是数字媒体和真实世界之间的交互,我们需要一个充当日常“窗户”的滤镜.AR的成像理念与VR般的成像体验打造出了一种以全息投影现实为主的混合虚拟现实MR技术.在２０１６年6月1日举行的微软开发者峰会上,微软CEO萨提亚·纳德拉向人们强调了对Hololens的正确“打开”方式——Hololens既不是VR头盔,也不是AR眼镜,而是属于MR的混合现实设备.MR是将计算机生成的3D虚拟物体全息投射到现实空间中,MR设备的佩戴者可以现实空间中与3D虚拟动画进行交互式操作,并触发相应功能.MR设备的成像原理并不同于沉浸式的VR设备,它也是将虚拟画面投射到真实空间中,但所投射的全息3D图像,其成像效果突破了虚拟与现实世界的界限,能够提供近乎于VR般的沉浸式体验.然而,尽管MR技术吸纳了AR设备与VR设备的部分效果,却无法实现在Hololens上兼容AR和VR.因为,VR采用的交互手段完全由人工设定,AR则更注重真实物体与虚拟效果的链接.要将AR与VR兼容到同一设备上,实现VR和AR终端的硬件兼容,只需要在终端上加装一个摄像头,解决沉浸式画面与真实画面的切换显示问题,以及随之而来的界面交互问题.
（作者单位：北京市委新媒体中心）
栏目责编：邵满春
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