Conceptos y Características
La realidad virtual (Realidad Virtual, VR para abreviar) es un entorno interactivo inmersivo basado en información computable. Específicamente, utiliza alta tecnología moderna con tecnología informática como núcleo para generar un entorno virtual integrado visual, auditivo y táctil realista dentro de un rango específico. Con la ayuda del equipo necesario, los usuarios interactúan con objetos en el entorno virtual de forma natural, creando así la sensación y la experiencia de estar "inmersos" en el entorno real. La realidad virtual trae nuevos conceptos, nuevos contenidos, nuevos métodos y nuevos métodos de interacción persona-computadora, haciendo que el contenido de la interacción persona-computadora sea más rico y vívido, y el método más natural y armonioso.
La realidad virtual es la cristalización y reflejo de la aplicación de tecnología informática altamente desarrollada en diversos campos. Tiene las siguientes características principales: (1) Depender de un alto grado de integración de disciplinas; (2) Personas presentes; (3) Integración a gran escala de sistemas o entornos (4) Diversificación y estandarización de la representación de datos, gran capacidad; de almacenamiento de datos, y transmisión de datos de alta velocidad y procesamiento de datos distribuido y paralelo.
Tecnología sin llave
La realidad virtual, la realidad virtual y la tecnología informática de alto rendimiento son los tres aspectos principales de la tecnología de realidad virtual. La realidad virtual asigna la información multidimensional del mundo real al espacio digital de la computadora, genera un mundo virtual correspondiente y proporciona la información y los datos necesarios para la computación de alto rendimiento. La realización de cosas virtuales utiliza diversas tecnologías informáticas y de simulación para hacer que diversos estímulos generados por cosas en el mundo virtual generado por computadora se transmitan al usuario de la forma más natural posible.
1. Desenfoque verdadero
El desenfoque de objetos incluye principalmente tecnologías clave como la construcción de modelos básicos, seguimiento espacial, localización de sonido, seguimiento visual y percepción de puntos de vista para generar un mundo virtual realista. , es posible detectar operaciones del usuario en el entorno virtual y obtener datos de operación.
(1) Tecnología de construcción de modelos básicos
La construcción de modelos básicos es la base para aplicar la tecnología informática para generar mundos virtuales. Reconstruye objetos del mundo real en el mundo virtual tridimensional correspondiente y guarda algunas propiedades físicas de acuerdo con los requisitos del sistema.
En primer lugar se debe establecer el modelo geométrico del objeto para determinar su posición espacial y los atributos de los elementos geométricos. Por ejemplo, cree un modelo geométrico tridimensional de un producto o edificio mediante CAD/CAM o dibujos bidimensionales; construya un campo de batalla virtual a gran escala mediante datos SIG y fotografías satelitales, de detección remota o aéreas.
Para mejorar el realismo del entorno virtual, el modelado de características físicas y reglas de comportamiento debe mostrar las características físicas del objeto, como masa, momento, material, etc., y seguir ciertos movimientos. y dinámica en el entorno virtual del derecho.
Cuando los modelos geométricos y físicos son difíciles de describir con precisión algunos objetos o fenómenos especiales existentes en el mundo real, se pueden utilizar algunos métodos de construcción de modelos especiales de acuerdo con las necesidades específicas. Por ejemplo, los datos meteorológicos se pueden modelar para generar condiciones meteorológicas (nublado, soleado, lluvioso, con niebla) para el entorno virtual.
(2) Tecnología de seguimiento espacial
El seguimiento espacial en entornos virtuales determina principalmente la cabeza y las manos del usuario a través de sensores espaciales en dispositivos interactivos como pantallas de casco, guantes de datos y trajes de datos. , la posición y orientación del cuerpo u otros objetos operativos en el entorno virtual tridimensional.
Los sistemas de seguimiento suelen constar de transmisores, receptores y componentes electrónicos. Actualmente, existen varios sistemas de seguimiento como el electromagnético, mecánico, óptico y ultrasónico.
Los guantes de datos son dispositivos de interacción persona-computadora comúnmente utilizados en sistemas de realidad virtual. Pueden medir la posición y la forma de las manos para realizar manos virtuales en el entorno y su manipulación de objetos virtuales. Cyber guante utiliza sensores de curvatura y torsión en los dedos y sensores de curvatura y arco en la palma para determinar la posición y orientación de la mano y las articulaciones.
(3) Tecnología de seguimiento de sonido
Utilizar la diferencia de tiempo, la diferencia de fase y la diferencia de presión sonora de diferentes fuentes de sonido para rastrear sonidos en el entorno virtual es una parte importante de la realidad virtual. La medición acústica del tiempo de vuelo y la medición de la coherencia de fase son dos algoritmos básicos para lograr el seguimiento de la ubicación del sonido. Dentro de un rango operativo pequeño, los métodos acústicos de tiempo de vuelo pueden demostrar buena precisión y consistencia. A medida que se expande el rango de trabajo, la velocidad de transmisión de datos del método acústico de tiempo de vuelo disminuye y es susceptible a interferencias de pulsos provenientes de sonidos espurios.
Los métodos de coherencia de fase son inherentemente menos susceptibles al ruido y permiten filtrar la presencia de datos redundantes sin provocar paradas. El método de coherencia de fase no puede medir directamente la distancia, sino que sólo puede medir cambios de posición y es susceptible a la interferencia de errores acumulados.
El seguimiento del sonido suele constar de varios transmisores, receptores y unidades de control. Se puede conectar a una pantalla de casco, así como a otros dispositivos como trajes y guantes de datos.
(4)Tecnología de seguimiento visual y percepción del punto de vista.
La tecnología de seguimiento visual para el desenfoque de objetos utiliza la proyección de la cámara en el conjunto del plano x-y, y la luz ambiental o la luz de seguimiento se proyecta sobre el plano de proyección de la imagen en diferentes momentos y posiciones para calcular la posición y dirección del objeto rastreado. La implementación del seguimiento visual debe considerar el equilibrio entre precisión y rango de trabajo. Los diseños de múltiples emisores y múltiples sensores pueden mejorar la precisión del seguimiento visual, pero pueden hacer que el sistema sea complejo y costoso.
La percepción de la perspectiva debe combinarse con la tecnología de visualización, y se puede utilizar una variedad de métodos de posicionamiento (posicionamiento de máscara para los ojos, visualización del casco, tecnología de visualización remota y tecnología de percepción basada en los músculos oculares) para determinar la línea de visión del usuario. vista en un momento determinado. Por ejemplo, al integrar la tecnología de detección y detección de puntos de vista en el sistema de visualización del casco, los pilotos pueden operar interruptores virtuales o realizar controles de vuelo durante algunos períodos extraordinarios simplemente "mirando".
2. Realidad virtual
La tecnología clave para garantizar que los usuarios puedan obtener cognición sensorial visual, auditiva, de fuerza y táctil en un entorno virtual es el principal contenido de investigación de la realidad virtual.
(1) Percepción visual
La mayoría de los objetos o fenómenos con determinadas formas en el entorno virtual pueden dar a los usuarios un fuerte sentido de la realidad de diversas formas. Los monitores CRT, las proyecciones de pantalla grande, las paredes electrónicas multidireccionales, las gafas estereoscópicas y los HMD son dispositivos de visualización comunes en los sistemas de realidad virtual. Las diferentes pantallas montadas en cascos tienen diferentes tecnologías de visualización. Según la forma de proporcionar imágenes ópticas, los dispositivos de visualización del casco se pueden dividir en tipo de proyección y tipo de vista directa.
La tecnología de visualización estereoscópica puede mejorar la realidad del entorno virtual, permitiendo que los ojos izquierdo y derecho del usuario vean dos imágenes planas con paralaje y las sinteticen en el cerebro para producir una percepción visual estereoscópica. Las pantallas montadas en el casco y las gafas estereoscópicas son dos dispositivos de visualización estereoscópica comunes. Actualmente se están estudiando la tecnología de visualización tridimensional basada en cálculos holográficos láser y la tecnología de visualización que utiliza rayos láser para visualizar directamente la retina.
(2) Audición
La audición ocupa el segundo lugar después de la visión. Los efectos de sonido del entorno virtual pueden compensar la falta de efectos visuales y mejorar la fidelidad del entorno.
El sonido tridimensional que siente el usuario le ayuda a localizar el sonido durante la operación. El posicionamiento de los modelos de sonido tradicionales se basa en la diferencia de tiempo entre la fuente de sonido y los oídos del oyente y la diferencia de presión entre la fuente de sonido y los oídos izquierdo y derecho, pero no puede explicar el posicionamiento monoaural. Los modelos de sonido modernos se centran en el uso de la función de transferencia relacionada con la cabeza hrtf para describir el proceso de propagación del sonido desde la fuente de sonido hasta el canal auditivo externo y pueden admitir el posicionamiento monoaural. Hrtf utiliza principalmente métodos de filtrado para simular efectos de cabeza, efectos de aurícula y efectos de enmascaramiento de cabeza. El Centro de Investigación de la Fuerza Aérea de la NASA colocó una vez un pequeño micrófono en el canal auditivo artificial para registrar las respuestas de impulso de muchas fuentes de sonido diferentes en la cabeza, y luego generó una sensación de posición en el entorno virtual basada en el hrtf y los resultados de los impulsos.
(3) Fuerza y sentido del tacto
Un factor clave que puede dar a los participantes una sensación de "inmersión" es si el usuario puede sentir el movimiento del objeto virtual mientras lo manipula. reacción, lo que resulta en sensaciones de tacto y fuerza. Por ejemplo, si tira de la palanca de cambios del sistema de conducción virtual con la mano, su mano puede sentir la vibración y la tensión de la palanca de cambios.
El sentido de la fuerza consiste principalmente en que la computadora amortigua el movimiento de los dedos a través de guantes de retroalimentación de fuerza y joysticks de retroalimentación de fuerza, lo que permite al usuario sentir la dirección y la magnitud de la fuerza. Debido a que el sentido de la fuerza humana es muy sensible, los dispositivos de precisión ordinarios simplemente no pueden cumplir con los requisitos. Es muy difícil y costoso desarrollar dispositivos de retroalimentación de fuerza de alta precisión, que es uno de los problemas que enfrenta la gente.
Sin retroalimentación táctil, cuando un usuario toca un objeto en el mundo virtual, es fácil que su mano atraviese el objeto. Una forma eficaz de resolver este problema es agregar retroalimentación táctil al dispositivo interactivo del usuario. La retroalimentación táctil se basa principalmente en la visión, la presión del aire, la simulación vibrotáctil, táctil electrónica y neuromuscular. Tanto la retroalimentación táctil electrónica, que alimenta pulsos eléctricos variables en la piel, como la retroalimentación analógica neuromuscular, que estimula directamente la corteza, no son seguras. En términos relativos, la retroalimentación táctil de presión de aire y vibración son métodos de retroalimentación táctil relativamente seguros.
3. Tecnología informática de alto rendimiento
La realidad virtual es una alta tecnología moderna con la tecnología informática como núcleo, y la tecnología informática de alto rendimiento es la clave para afectar directamente el rendimiento del sistema. . La tecnología de procesamiento y computación de alto rendimiento tiene las características de velocidad de computación rápida, gran potencia de procesamiento, gran capacidad de almacenamiento y redes sólidas. Incluye principalmente los siguientes contenidos de investigación:
(1) Fusificación física y datos materializados. conversión y preprocesamiento de datos; (2) tecnología de visualización y generación de imágenes y gráficos realistas en tiempo real; (3) tecnologías de síntesis de sonido múltiple y espacialización de sonido; (4) fusión de datos de información multidimensional, conversión de datos, compresión de datos y estandarización de datos; generación de bases de datos; (5) Reconocimiento de patrones. Por ejemplo, reconocimiento de comandos, reconocimiento de voz y detección, síntesis y reconocimiento de gestos e información de expresiones faciales humanas (6) Investigación sobre modelos informáticos avanzados; Como sistemas expertos, redes neuronales autoorganizadas, algoritmos genéticos, etc. (7) Computación distribuida y paralela, así como tecnología de red remota a gran escala y alta velocidad.
4. Realidad virtual distribuida
El objetivo de la investigación de la realidad virtual distribuida es establecer un entorno virtual distribuido para que múltiples usuarios participen en diferentes lugares al mismo tiempo. Los usuarios en diferentes ubicaciones geográficas son como ingresar a un mundo real, no limitado por el tiempo y el espacio físico. Pueden comunicarse, aprender, discutir, entrenar y entretener a través de gestos, voz o texto, e incluso colaborar para completar el mismo diseño de producto complejo. misma práctica de tarea difícil.
Hay dos bandos en la investigación sobre realidad virtual distribuida. Uno de ellos es la realidad virtual distribuida en Internet, como las compras virtuales remotas basadas en estándares VRML. La otra es una red privada de alta velocidad invertida por el ejército, como el DSI de Internet analógico de defensa del ejército estadounidense que utiliza tecnología ATM.
Campos que deben utilizarse
La aparición y el desarrollo de la tecnología de realidad virtual proporciona nuevas formas de resolver y abordar diversos problemas que requieren una enorme inversión financiera y humana, o que tienen que asumir el riesgo. de bajas. En la actualidad, la aplicación de la tecnología VR se concentra principalmente en los siguientes aspectos:
1 Diseño de producto y evaluación del desempeño
El diseño del avión Boeing 777 es un ejemplo de aplicación típico de. Prototipo virtual, que está compuesto por 3 millones de piezas, todas diseñadas en un entorno virtual que consta de cientos de estaciones de trabajo.
Desde 65438 hasta 0996, UC Berkeley implementó la itinerancia en tiempo real de la sala de refrescos del nuevo edificio en la estación de trabajo de SGI. El Laboratorio de Nuevas Tecnologías de Visualización y Realidad Virtual de Beihang también ha completado el desarrollo del Jardín Changheng y su decoración interior, el Beihang virtual y otros sistemas itinerantes. Actualmente se está construyendo un sistema de itinerancia para el Monte Everest y sus alrededores para el Museo Nacional de Ciencia y Tecnología.
2. Educación y entretenimiento
Aplicar la tecnología VR a la educación puede permitir a los estudiantes visitar el fondo del mar, viajar en el espacio, observar castillos históricos e incluso observar la trayectoria de los electrones. en lo más profundo de los átomos. Las bibliotecas virtuales distribuidas superan las limitaciones del tiempo y el espacio físico y utilizan los recursos de forma eficaz. Las bibliotecas virtuales distribuidas basadas en Internet tienen amplias perspectivas.
La tecnología VR se utiliza ampliamente en la industria del entretenimiento. El primer sistema de entretenimiento de realidad virtual a gran escala, "battletech", conecta varios simuladores de "cabina" para realizar enfrentamientos grupales. Escenas realistas tridimensionales, joysticks, aceleradores, frenos y sacudidas durante el impacto brindan a los usuarios una fuerte estimulación sensorial.
3. Entrenamiento en entornos difíciles y peligrosos
El sistema de realidad virtual que sirve para el entrenamiento médico y quirúrgico utiliza datos de tomografía computarizada o resonancia magnética para reconstruir el modelo geométrico del cuerpo humano o de un órgano en el computadora y darle ciertas propiedades físicas (como densidad, dureza, proporción de tejido, etc.) y usar herramientas interactivas de alta precisión, como manipuladores o guantes de datos, para simular el proceso quirúrgico en la computadora, a fin de lograr el propósito. de formación e investigación.
La NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea) de Estados Unidos han aplicado con éxito la tecnología VR a las actividades espaciales de vehículos espaciales, el libre funcionamiento de estaciones espaciales y el mantenimiento del espacio Hubble.
4. Entorno de campo de batalla virtual distribuido
El campo militar es el primer campo de investigación y aplicación de la tecnología de realidad virtual. El primer entorno de campo de batalla virtual distribuido debería ser el plan de investigación SIMNET desarrollado por Darpa y el ejército de los EE. UU. en 1983. Desde 1994, la Darpa de Estados Unidos y USAcom han llevado a cabo investigaciones conjuntas sobre STOW, formando un entorno de ejercicio militar que cubre 500×750 km2, incluida la participación de 3.700 entidades de simulación.
Dvenet, respaldado por el Programa Nacional 863 desde 1996, es una plataforma de información básica de entorno virtual distribuido desarrollada conjuntamente por la Universidad de Beihang, la Universidad de Zhejiang, la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa, la Facultad de Ingeniería de las Fuerzas Blindadas y el Estudio de Topografía y Cartografía del PLA. Instituto y Instituto de Software de la Academia China de Ciencias. En el entorno de campo de batalla virtual distribuido basado en dvenet, se combinan múltiples simuladores reales y simuladores virtuales distribuidos en diferentes regiones para realizar ejercicios de simulación de tácticas de confrontación colaborativa en diferentes lugares.
Resumen: La realidad virtual es un campo de investigación con muchos problemas sin resolver y nuevos problemas que aún están surgiendo. También es un campo de alta tecnología lleno de vitalidad y enormes perspectivas de aplicación. Debemos y podemos marcar la diferencia en este ámbito.