美国的虚拟现实研究（1995）

武夷山

（发表于《环球科技经济瞭望》1995年1期）

进 入90 年代以来 ， 虚 拟现实（VR）技 术 受到美国 联邦政府许多 部门的 日益重视 。 1992年 ， 应国防部先进研究计划署 、 空军科研局 、 陆军研究实验 室的人体研究和工程处 、 阿姆斯特朗实验室 、 陆军研究开发工 程 中心 、 国 家航天航空局 、 国家科学基金会 、 国 家安全局和 桑迪 亚国立实验室等 9个单 位的联 合要求 ， 国 家研究理 事会成立了虚拟现实研究与开发委 员会 ， 旨在对 联邦政 府 各部 门的VR科研投资 提供指导与协调 。

经过二 年多研究 ， 委员 会就今后 几 十年美 国 全国 的 研究 与开发战略提出 了一 些看 法 。 委 员会 1995年年 初的报告 《 虚 拟 现实： 科学技 术 挑 战 》概括了他们 的思 路 。

一、背景知识

在VR 领 域 ， 人 们 经 常采 用 “ 虚 拟现实 ” 、 “ 电脑空 间” 、 “虚拟环 境 ” 、 “ 远距离操纵” 、 “ 放 大现 实 ” 、 “ 合 成 环 境” 等不同术语 。 但不管采 用哪种说法 ， 它们 所指的 系统都 含有三要素： 操 作者 、 机器 和 人 机 界 面 。

——远距操纵 系统： 在此系统 中 ， 机 器 是一 含有传感器 和制动 器 （如遥控 机器人 ）的机 电 工具 ， 它使操作者能 以新 的方式感知 和 操纵现实环境 。 系统的目的 是改变环境 。

——虚拟环境 系统： 此 系统 中的 机器是编好 特定程序 的计算机 ， 它产生 或合成一 些虚 拟现实场 景 ， 操作者 可与这些场景发生 相 互 作用 。 系统的目的是改变 操作者 的状态 。

——放大现实系统： 在此 系统 中 ， 由于将 操 作者 自己感知到的关于现实世界的信 息与计算机存储的有关信息迭 合起来 ， 操 作者与现实世界的相互 作用大大增强 。

 以上三 种系统统称 为 合成环境系统 。

虚拟环 境 系统与传统的 类似 系 统 的 区 别 是 ， 操作者与现实 世界的相 互 作用 是实时的 ， 操作者感知到的空 间 是三维的 ， 人机界面是多 模的 ， 操作者完全 “ 沉 浸” 于计算机产生 的环境中 。

二 、 虚拟现实研究与开发委员会的建议

1.  VR应 用

在许多应用领域 ， 正在展 开前期 研究与开 发工 作 。 在个别应用 领域 ， 已进入试验 阶段 。 委员会认为 ， 最 有前途的应 用领 域有四个： 设 计 、 制造与市场 营销； 医药保健； 危险环境操 作； 训练 。 自前不宜列 入 重点的应用 领域是： 教育； 信息视觉化； 电信； 荧屏旅游 。

2.  人类 心理 的研究

既然人是 合成环 境 系统不 可 缺少的要素 ， 关于人类行为的 各科 知识 对于 合成 环境系统的 设计 、 使用 及评价都 是非常有用 的 。

委员会认为 ， 关于VR 的心理 侧 面 的研究 有四大 课题：

①从 合成环境系统的角度 ， 对有关人的 绩效特征的理 论与数据进行全 面 的总结 回顾；

②形成一种理 论 ， 它能就人 对感觉运动环境 中的变化做出何种响 应 进行定量预测；

 ③开发一些认知 模型 ， 以利于 更好地设计 为教育 、 训练和 信息视觉化服务的虚拟环境系 统；

 ④进一步研究操 作者 在 合成环 境里呆很长 时间是否会产生不 良后 果 。

3.  技 术

尽管关于 合成环 境 已有不少 的报道与乐 观 的预测 ， 但业 已存 在的技术与实现各种应用所 需要的技术之 间还 有不小的差 距 。 目前 ， 除 了 娱乐行业采 用 的虚拟环境 技术与废料搬运中采 用的远距操 作技术外 ， 其他技术都不够成熟 。

委员会认为 ， VR技术可 分为四 类： 人 机 界面； 虚拟环境的计算机产生； 遥 控 机 器 人 学；， 网络 。

——人 机界面

在这一 方面 ， 委员会认 为最重 要 的 课 题 是： 视 觉通道； 触觉通 道； 运动显 示；位置跟踪 。

——计算机硬 件 与软件

靠现有的计算机技术 ， 逼真的 图像与良好 的相 互作用性二者不可兼得 。 因此 ， 计算机硬 件与软件 都大有开发工 作可做 。

虚拟环境对 硬件的要求是： 物理 记 忆 量 大； 具备多个高 性能标量处理 器； 高 带宽大容 量存储器件； 连 接 各种输入 输 出外围设备的高 速接 口 。 委员 会估计 ， 在市场力量驱动下 自然 发展 ， 以上要求不久即可 实现 。 故联邦政府 目 前不 必 在硬件 开发上过 多投 资 。

而对 于软件开发，尤其是有关虚拟环境的生产、布署与应用， 联邦 政府应加强投资 。 需 要研究的基 本课 题 是： 人 初 多模相 互 作用； 视 觉 、 听觉和 触觉 “ 形象” 的快速确定和解释； 在 多模 条件 下 表现物体并与之相 互 作用的 模型 与工 具 （包括 从现实数据 自动获 得模型）； 模 拟框架； 新型 的 、 适 合于虚拟环境的 时间临界 实时操 作系统 ， 它对 输入 输出的要求不太高；放大现实应用 中 ， 实 、 虚 图像的记录； 虚拟空 间的导航信号； 自主 动 作者的行 为； 听觉与触 觉形象的计算机生 成 （由于广 受重视的计算 机 图形学研究 已覆盖了视觉通 道 ， 故应加强研究 听 觉与触觉形象的模 型 化与生成） 。

——遥控 机 器人 学

遥控机器 人学研究在很多方面与虚拟环境 研究有 类似 之处 。 由于这种类似 ， 又由于遥控 机器人 学研究已有较长历史 ， 遥控机器人 学的 研究成果往往 可移用于虚拟环境 。 遥控机器人 学特有的课 题 是： 遥控 机器人这一复杂机 电系 统的设计与工 作； 当人机界面和机器人相距 较 远时不 可避免地 交流时滞 。

要改善远 距操纵 系统性能 ， 就 需要改善控 制算法 ， 改善构造和使用预测式显 示的方法 ，实现有效的监督控制技术 ， 以克服交流时滞 。 为 此 对硬件提 出 了一 些要求： 多轴 、 高 分辨率 的 触觉 传感 器 ， 给 机 器人 提供足够有力 的触感； 在机 器 人 做 出抓持动 作之 前对 机 器人 进行局部 指 导的 接 近传感 器； 多轴 力 传感器 ， 用 以 测 量 施 于终端 作用 器 上 的 净力与扭矩； 改 善制动器 设 计和 高性能关 节 的传动 设 计； 实 时 计 算 结 构 。 另 外 ， 由 于 人 与微型遥控 机 器人 相 互 作用 时会 发生 许 多新 问 题 ， 就 有 必要认真研究如何 利用 微机 电器 件 领域 的研究成 果 ， 也有 必要探 讨 随着 分布式遥控 机器人（ 无 论大 型 机器人 还 是微型 机 器 人） 的开发 和 应 用 而 产生 的机 会与 问 题 。

——网 络

通 信 网络 技 术 有可 能 把 虚拟环境变 成一个 人 、 物与控制过 程共 享的 世界 ， 在其 间 ， 各自 所 处 地 点 与位 置 是无 关 紧要的 。 今 后 ， 人 们 将 利 用 通 讯 网 络 将 虚拟环境应 用 于远距 教学 、 群体娱 乐 、 分布式 训 练 、 不 同 场所 的遥控 机 器人 之 间的通 信 ， 等 等 。 但 到 目前为 止 ， 网 络 技术 还 不 足 以 支持 多个 用 户和 实 时输 入 的 多 种 模 式 。 其他 有待解决的 问 题还 有 ， 多层 操 作系统 导 致 的网 络主机与界面 相 互 作用 速度 的下降 ， 高 速广域网 的 昂贵 的机时 费用 ， 等 等 。

委员会 估计 、 今 后 ， 虚拟环境技术的 多数 应 用都 将严 重 依赖 网络 硬件与软件 。 同样 ， 委 员 会不 主 张 联邦 政 府 在 网络 硬件 开发 上 进行 新 的 投 资 ， 但 建议 政府 资助一 项 旨在与工 业 界 和 学术界共 同 制 定 网络标 准的研 究计划， 要使得 未 来 的 网络 标 准能满足大规模 布 署 分布式 虚 拟 环境 系 统 的要求 。 另 外 ， 委 员会建议联邦 政府 出资建立 一个开放 的 虚拟环 境 网络 ， 使研究人 员不 用 花 太 多的钱 就可利 用此 网络进行 各种 虚拟环 境 网络 软件 开发和应 用 的实验 。

——评 估

从 总体上 讲 ， 合成环 境 技术 与系统 尚未受 到认真的评估 。 当然 ， 这一 评 估 是很难 的 ， 原 因是： 它 涉及众 多 学科； 既要评 估 整个系 统 ， 又要评 估 个别组元； 可 供 利 用 的组元 技术 是多 种 多样 的； 评 估 目标 也不尽相 同 。 但 委 员 会认 为 ， 要想 使合成环境技术不停留在演示阶段 ， 认真 的 评估是至 为 关 键的 。

合成 环 境 系统 的 开发者应 将 采 用 各种方法 进行 的评 估 贯 穿 于 开发 过 程 的始 终 。 因此 ， 联邦 政 府应 鼓励 自己 的 资助 对象在其研究开发课 题 的设计 阶段 就 将 全 而的评 估 计划 作为课 题 的 一个有机组 成 部 分 。 联邦 政 府 也应 出而 协调标 准 化测 试 程 序 的 开发工 作 ， 尤 其 是 在私 营 部 门 无甚 积极 性 的领 域 。

4.  政府政策与基础设 施

由于 合成环 境 系统研究 尚未 成熟 ， 联邦 政 府 有可 能 利用 这个机 会 对此 技术进 行审慎 的 规划 。 委 员会认 为 ， 联邦政府关 于 合成环 境 研究 的战 略 计划应 注 意 如下 几 点 。

①建立 全 国 性的 信 息 系统 ， 以 对 用 户 友好 的 方式 向信 息 系统 的用 户 报 道研究活动的进展及成果 ， 这 将 有利 于 研究 人 员相 互 启发 思路 ， 有 利 于研 究 开发 活 动的协 调 。 这一 系统应 能存 放 文 本 、 数据 、 计算模 型 、 软件 等多 种 内容 ， 还 应 包括 帮助 信 息检索与信 息 扩 散 的 子 系统；

②联邦 政府 可 考虑 建立 几支研究 开发 国 家 队 ， 重点 搞 几个应 用 领 域 。 这 种 国 家 队要 吸 收 政 府 、 工 业 界和 大学 各方面 各学 科 的 人 士 参 加 ， 可 采取 政府与民 间共 同 资助 的 方式；

 ③联邦政府 某 些 部门可 考虑 采 用 合 成环 境 技术 来 改 善其工 作 。 在一 些 国防计划和 航天 计 划 中 已经 开始 用 合成环 境 技术 ， 其 他 许 多部 门 则 可将 它用 于培 训 、 远 距 通 信 、 信 息 视 觉 化 等 。 如果选择 个别 政府机构 作为 合成环境技术 的试 验 床 ， 可 起推动开发工 作之 效；

 ④尽 管 尚无立 刻制 定 合成 环 境 系统 的标 准 与有关 管理规章的 必要 ， 但 联邦政府 已经 可 以 着手与电信 行业及娱乐 行业一 道对 过去 的工 作 进 行 评 估 。 若不 做此 事 ， 技 术兼容 性等问 题 也 许 会愈演 愈烈；

 ⑤在进行 资金 计 划 时 ， 联邦政府要意 识 到 市 场 力 量的存 在 。 未来的 市场 有可 能受 到 合成 环 境 研究 成果 的型范 ， 但 市场 力 量也 有可 能左 右 正 在进行 的研究 开发工 作 。 因此 ， 联邦 政府 应 将 其科研 投 资作为 调 动 私营 部门开发 活 动的 杠杆 。