虚拟现实及其在数码艺术中的应用

谢晓昱

    虚拟现实（简称VR：Virtual Reality），又称灵境技术，是最近几年得到迅速发展的技术。作为一项尖端科技，虚拟现实集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机生成的高技术模拟系统，它最早源于美国军方的作战模拟系统，九十年代初逐渐为各界所关注并且在各个领域得到了进一步的发展。“虚拟现实”一词最早由美国VPL Research Inc公司的J.Lanier在1989年提出，它通常是指用立体眼镜的传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实，人们通过这些设施以自然的方式（如头的转动、身体的运动等）向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉及触觉等感觉世界，随着人们不同的动作，这些感觉也随之改变。目前，与虚拟现实相关的内容已经扩大到了与之相关的许多方面，像“人工现实（Artificial Reality）”、“遥现”（Telepresence）、“虚拟环境”（Virtual Environment）、“赛伯空间”（Cyberspace）等，都可以认为是虚拟现实的不同术语或形式。它要创建一个酷似客观环境又超越客观时空、能沉浸其中又能驾驭其一的和谐人机环境，也就是由多维信息所构成的可操纵的空间。它的最重要的目标就是真实的体验和方便自然的人机交互，能够达到或者部分达到这样目标的系统就称为虚拟现实系统。
    从概念上讲，任何一个虚拟现实系统都可以用三个“I”来描述其特性，这就是“沉浸（Immersion）”、“交互（Interaction）”和“想象（Imagination）”， 这三个“I”反映了虚拟现实系统的关键特性，就是系统与人的充分交互，它强调人在虚拟现实环境中的主导作用。      
    一般的虚拟现实系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和演示设备等组成。虚拟现实技术的特征之一就是人机之间的交互性，为了实现人机之间的充分交换信息，必须设计特殊输入工具和演示设备，以识别人的各种输入命令，且提供相应反馈信息，实现真正的仿真效果。不同的项目可以根据实际的应用可以有选择的使用这些工具，主要包括：头盔式显示器、跟踪器、传感手套、屏幕式、房式立体显示系统、三维立体声音生成装置等。事实上，虚拟实现技术不仅仅是指那些戴着头盔和手套的技术，而且还应该包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法，如苹果公司的QuickTime VR，它不需要一般虚拟现实技术所要求的昂贵的特殊头盔、特殊眼镜和数据手套，就能够实现对三维空间和三维物体全方位的观察，。
    虚拟现实是发展到一定水平上的计算机技术与思维科学相结合的产物，它的出现为人类认识世界开辟了一条新途径。虚拟现实的最大特点是：用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人类除了亲身经历，就只能间接了解环境的模式，从而有效的扩展了自己的认知手段和领域。从艺术设计领域来看，虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具，它以视觉形式产生一个适人化的多维信息空间，为我们创建和体验虚拟世界提供了有利的支持。
    过去，传统艺术经常在两方面标榜自己：一是“真实”，宣称自己的描写十分“逼真”、“几可乱真”，甚至是高于现实的真实；二是“虚构”，宣称自己具有杜撰的自由。目前，传统艺术在这两方面都正在失去自己的优势。就写实来说，目前没有什么技术比虚拟现实能创造出更高的逼真度了；就虚构来说，目前没有什么比虚拟现实更直率了——它公然将“虚拟”二字作为自己的名称！更有甚者，连艺术本身都被虚拟化了（在机器语言中由0和1构成）。这究竟是艺术的终结呢，还是艺术的新生？可以说，虚拟现实是数码艺术发展的新阶段。正如传统媒体分化为写实的与虚构的一样，作为媒体的网络化虚拟现实仍有两种不同的取向：一种是力求将人们的日常经验移到在线生活当中来，另一种是力求创造迥异于现实环境的赛伯世界，我们可以称后者是“艺术的虚拟媒体”。例如，1991年芝加哥虚拟世界中心推出的第一个大规模虚拟现实娱乐系统“战争技术”（BattleTech），便利用局域网实现了各个座舱仿真器之间分组对抗。国内所开发的虚拟现实系统，已经有北京航空航天大学虚拟现实与可视化技术研究室为中国科学技术馆研制的“虚拟珠峰飞行漫游”、浙江大学心理学国家重点实验室开发的“虚拟故宫”等。

    下面我们从几个方面来探讨虚拟现实技术在数码艺术领域的应用：

    虚拟产品展示

    基于虚拟现实的三维立体交互展示技术，它作为一种最先进的网上产品展示手段，给消费者留下的印象是其它方法所替代不了的，可以在网上由客户决定如何体验产品，或旋转、或远近、或开关、或拆装，近在眼前，犹如拿在手中。逼真的3D模型，仿佛身临其境，强大的交互功能，使得个性产品深入人心。用户在和虚拟的产品交流的时候,可以根据自己的需要变换产品信息，这种获取信息的行为完全是主动的, 使用者可以根据自身的需求,亲自成为最新设计的体验者，而其中又蕴涵着无限的乐趣，你只要轻移鼠标就可以得到真实的体会。这就是它最大优势所在。有了互联网，有了“3D展示技术”，将真正实现产品与全球客户零距离、面对面。

    游戏设计

    三维游戏既是虚拟现实技术重要的应用方向之一，也为虚拟现实技术的快速发展起了巨大的需求牵引作用，三维游戏几乎可以涵盖虚拟现实的全部技术。实时图形绘制技术就是实现人机互动的一个重要技术，也是虚拟现实系统的核心组成部分。目前的真实感图形绘制技术难以达到实时绘制的要求，因此，往往通过牺牲图形的真实感和质量的快速绘制技术来达到实时绘制的目的，或利用并行、分布式技术来加速绘制进程。
    虚拟现实游戏还为数很少，大部分三维游戏中见到的3D场景，常常只达到了“虚拟”的层次，与“现实”的境界还有相当的距离。阻碍虚拟现实技术在三维游戏中应用的主要因素是价格和技术本身。从价格因素来看，目前普通的消费者还无法承受虚拟现实游戏的高昂价格。从技术因素来看，虚拟现实要想完全应用在游戏中，还必须解决一些重要的难题。比如头部跟踪视觉有时会产生一些冲突，在普通游戏中，游戏者处于游戏之外，操作着屏幕内的角色移动，只要加入碰撞检测就不可能发生穿墙而过的情况。但虚拟现实则不同，游戏者与游戏角色是合二为一的，游戏者自己的动作就是游戏主角的动作。计算机可以阻止一个虚假的图象在墙壁前停止，但它却很难阻止真人的行动。
    尽管存在众多的技术难题，虚拟现实技术在竞争激烈的游戏市场中还是得到了越来越多的重视和应用。可以说，电脑游戏自产生以来，一直都在朝着虚拟现实的方向发展，相信在不远的将来，真正意义上的虚拟现实游戏必将为人类娱乐、教育和经济发展做出新的更大的贡献。

    虚拟舞台设计

    有了虚拟舞台，导演和助手们只需动动鼠标，很快就能完成布景、灯光、走台，不用彩排就能看到舞台效果；有改动，几秒钟就能实现。除了有台电脑给导演操作，他还将面对一块大屏幕，虚拟舞台将投射在上面，效果更加真实。
    数字化后，不但省钱，而且虚拟的彩排一旦完成，需要的布料、木材、人工马上能形成清单，成本一目了然。有了虚拟舞台，不仅是舞台的每个细节，连排演的过程、导演的调度也能原汁原味地保留下来。“十年后，如果想复排一出戏，查查电脑，过去的积累一点都不会漏。”

    虚拟建筑与景观设计

    虚拟现实就建筑视觉模拟的可行性而言,应用领域可包括:建筑物模拟、室内设计模拟、城市景观模拟、施工过程模拟、物理环境模拟、防灾模拟、历史性建筑模拟等。
    现阶段的二维、三维的表达方式,只能传递建筑物部分属性的信息,并且只能提供单一尺度的建筑物信息,使用虚拟现实技术可展示一栋活生生的虚拟建筑物,使人产生身临其境之感,设计不仅仅是设计者的事,住户、管理部门都可起到辅助决策的作用。
    在建筑设计过程中,一般都会对设计的建筑物提出不同的设计方案,对未来建筑物的形象做多种设想,在虚拟的建筑三维空间中,可以实时地切换不同的方案,在同一个观察点或同一个观察序列中感受不同的建筑外观,这样,有助于比较不同的建筑方案的特点与不足,以便进一步进行决策。事实上,利用虚拟现实技术不但能够对不同方案进行比较,而且可以对某个特定的局部作修改,并实时地与修改前的方案进行分析比较。
    而在城市仿真应用中，人们能够在一个虚拟的三维环境中，用动态交互的方式对未来的建筑或城区进行身临其境的全方位的审视：可以从任意角度、距离和精细程度观察场景；可以选择并自由切换多种运动模式，如：行走、驾驶、飞翔等，并可以自由控制浏览的路线。而且，在漫游过程中，还可以实现多种设计方案、多种环境效果的实时切换比较，这是传统的建筑效果图和预渲染回放的三维动画所无法达到的效果。

    虚拟场景漫游

    由于受到自然灾害、经济建设、旅游开发等因素的影响，许多珍贵稀有文物遗址已处于濒危境地，如何有效保护、研究与开发这些文物资源已经显得非常的迫切与重要。利用虚拟现实、图像处理与人工智能等技术，对文物实施数字化保存、重现和修复，可以极大地提高和改善了文物保护研究的效率与效果。利用VR技术，将各种文物建立起实时三维显示，可以将文物的展示、保护提高到一个崭新的阶段。
杭州大学开发了虚拟故官游玩系统。只要你戴上特制的头盔，骑上不动的自行车，你从头盔显示器里就看见了形象逼真的天安门城楼。你登上自行车的脚踏板，你就会感到自己骑车来到了午门前的大道上，飞快地穿过午门，越过金水桥、越过太和门，来到太和殿广场。由于你的自行车太快，一下子破墙而入，到了太和殿。金銮殿内盘龙的柱子，庄严的殿堂和真实的景像完全一样，你又骑车来到了御花园、绿树、红亭、碧池令你陶醉，好像身临其境。但是，当你摘下头盔时，仍然是骑在自行车上，一步也没有动。再如敦煌文物虚拟现实系统，它实现了敦煌石窟虚拟展示、脱落壁画复原与演变模拟等功能。
    美国佐治亚理工学院开发出虚拟动物园的大猩猩系统。游人戴上头盔，看到立体景物，就像身临其境一样，在大猩猩群中走动。如果游客太靠近雄性大猩猩，它会发出咳嗽声，好像是警告你。你若不离远点，大猩猩就会虚张声势地扑过来。

    虚拟汽车设计

    目前大型汽车公司大都有自己的虚拟设计中心，中心拥有一个由3面墙组成的虚拟立体环境，在几面墙上都可以显示立体的画面。可以坐在里查看汽车的内部、部件，通过3维的1:1的立体环境，可以更真切地感受新产品。汽车模型是可以以任何的比例来投影在投影墙上--在设计的初级阶段，工程师们可以很快地以1:1的比例看到这个模型。另外，借助VR技术，工程师们还可以直接将原来的老款和新款汽车进行比较。
    当工作人员进入正在进行虚拟现实工作的工作室时，戴上立体滤色眼镜或头盔式显示器、数据手套等显示设备，在大屏幕上就可以看到和真实的汽车一样大小的三维立体图像，它具有完全真实的立体空间，人们可以围绕汽车来回走动观察，也可以在另一个设计室中，坐在汽车的座椅上，让各种各样的仪表板、变速杆及各种附属装置都显示在他们的眼前，提出各个部位的改进设想。
    从以上领域我们看到，虚拟现实为数码艺术发展开辟了广阔的空间。麻省理工学院专家默里（Janet Horowitz Murray）预言：今天所谓电影或戏剧，到21世纪晚期可能变成新型的娱乐。“观众”到那时已经变成了“玩家”。玩家通过三维的仿真空间走进剧情。他们可以移动道具并感觉到它们的重量与质地，虽然还不能坐在虚拟的沙发上；可以与虚拟的人物交谈、交流甚至发生冲突，虽然不见得会被对方所杀伤；可以进入故事、成为其中的人物，并使情节根据自己的行动而改变，虽然仍然脱离不了开发者所设计的大框架。生活于21世纪的人们将目睹下述变化：小说家、剧作家、电影制片人都倾心于多形式故事与数码模式，计算机科学家热衷于创造虚拟的世界，观众走向虚拟的舞台。再往下，将是游戏与故事，电影与骑乘，广播媒体与档案媒体、戏剧形式与叙事形式、读者与作者之间的交融。这一预言确有实现之可能。另一方面，虚拟现实也带来了若干令人担心的问题，如戴头盔眼镜是否会影响视力、过度暴露于电磁场是否会残害身体、迷恋“镜中花”是否会导致丧失对一般人的沟通能力等。这些问题目前已经引起了人们的关注。

[相关链接]作者简介
    谢晓昱，男，1967年生，研究生毕业。中国艺术教育促进会计算机艺术教育委员会副秘书长，江苏省包协副秘书长，曾任南京艺术学院尚美学院互动艺术系主任。主要致力于CI设计、包装设计、数码印刷、设计色彩管理、数码艺术等领域的研究与实践，设计作品多次获各类奖项。专著有《现代印刷工艺学》、《色谱与色彩管理》，新书《数码艺术导论》即将出版。