軍事、醫學領域的VR前瞻技術

沈臻懿

近兩年來，VR一詞可謂風靡全球。VR，系英語Virtual Reality的縮寫，中文譯之為虛擬現實技術，是一種能夠用來創建和親臨虛擬現實環境的計算機仿真技術。有人在體驗這一全新技術后，評價其為“真幻難辨，近乎真實”！

解構“真幻難辨”的虛擬現實技術

虛擬現實世界若要達到身臨其境的程度，就需要讓體驗者實現真實的視覺、聽覺、觸覺甚至味覺，還可以從中判斷方位和距離，進而形成完美地交互式體驗。為了實現這近乎真實的感覺，虛擬現實技術（VR）需要硬件與軟件的全面支持，采用三維動態交互視覺感官、實體行為仿真以及多源信息融合等方式，方能令用戶完全浸潤到這一“真幻難辨”的虛擬環境。

虛擬現實技術（VR）是多種學科交融的產物。其關鍵雖然是計算機圖形與仿真，但人工智能、計算機硬件，甚至聲、光、電等技術都在其中扮演著重要角色。用戶通過視覺所看到的虛擬現實內容，最初是由計算機三維軟件系統進行設計，而后呈現在顯示器之上。此外，利用全景照相機，也可以獲得虛擬現實內容。該相機不同于普通的單反相機，其擁有多個鏡頭，可以拍攝360度范圍內的所有畫面，并在虛擬世界中予以呈現。

人類的視覺，是其認識周圍世界的重要感知手段。由于雙眼的位置有所不同，人在觀察周圍世界時雙眼獲得的圖像也略存差異。這些圖像輸入大腦后，經大腦處理，即形成了人對于周圍世界景象的立體感知。在虛擬現實技術（VR）中，為了能“欺騙”人的視覺，以達到以假亂真的程度，VR系統中的雙目立體視覺功能就起到了極為關鍵的作用。用戶在VR系統中雙眼所看到的不同圖像，是由不同顯示器分別形成并顯示，從而在視差的作用下產生視覺立體感。即使是個別VR系統采用單顯示器的設計，用戶在戴上VR眼鏡后，左右兩眼所看到的圖像分別為奇數幀和偶數幀，其奇、偶幀之間的圖像也各不相同，仍可形成立體感的景象。VR視覺體驗除使用虛擬現實頭盔外，諸如洞穴式自動虛擬系統（Cave Automatic Virtual Environment，CAVE）、環幕投影等方式，均可以營造出虛擬現實的世界。CAVE系統通常應用于標準較高的虛擬現實系統。其由三面及以上的硬質背投墻組成具有高度沉浸感的虛擬現實環境。在三維跟蹤器的配合下，用戶可以在立體投射的墻面環境下直觀感知近乎真實的三維虛擬環境。博物館、藝術館、科技館等場所的展覽布置中，有時會應用環幕投影的虛擬現實技術（VR）。環幕投影系統采用的是多臺投影所組成的環形屏幕，用戶身處其中可感受到三維立體的視聽體驗。不過，有些環幕投影并沒有完全覆蓋所有視野，屬于半沉浸式的虛擬現實體驗。當用戶背對環幕投影系統時，又會重新回到現實世界之中。

虛擬現實技術（VR）所構筑的虛擬現實世界，畢竟只是一個計算機仿真系統，其不可避免地需要與用戶之間進行交互。用戶與計算機的常規互動中，鍵盤、鼠標是最為常用的一組工具。但對屬于三維空間的虛擬現實世界而言，鍵盤、鼠標實則難以完成前述使命。虛擬現實技術（VR）在探索這一現實難題的過程中，嘗試使用虛擬鍵盤和智能語言系統來實現用戶與系統的交互。當前技術下的虛擬鍵盤，多需要借助觸摸屏來作為媒介。諸如平板電腦和手機上的觸屏鍵盤，皆是虛擬鍵盤的應用成果。與虛擬鍵盤相比，智能語音系統更為方便，且交互式體驗更佳。但客觀而言，無論是各種語言的翻譯，還是人工智能的應用，都是智能語言系統在研發過程中需要解決的實際難題。

用戶對于虛擬現實的感知，僅僅依靠視覺并不能完全達到“真假難辨”的程度。為了使虛擬世界更為真實，虛擬現實技術（VR）已開始向全方位的感官體驗拓展。相較于利用三維計算機圖形模型技術生成圖像所提供的視覺感官，融合視覺、味覺、嗅覺、觸覺、痛覺等全方位虛擬現實體驗的技術難度更甚。這就需要在VR系統中配置大量的芯片與傳感器來強化感官體驗。譬如，通過在VR系統中設置的芳香擴散器，可以讓用戶聞到四周的氣味；通過分布于VR體感衣全身的震動傳感器，可以讓用戶實現觸覺感官的體驗；通過在VR體感衣或者游戲手柄中嵌入的內置式芯片，則可以讓用戶真實感知到冷、熱的變化，從而浸潤至“身臨其境”之感。虛擬現實環境呈現出的人的活動，都需要借助專門設備進行捕捉。為了獲得這些動作信號，就需要有運動捕獲設備的介入。利用用戶身上安裝的各個慣性傳感器，可以將用戶的活動以動作信號的方式予以捕獲。此外，當用戶戴上專門的數據手套后，手部活動時每個關節的活動角度，都可以被該手套所捕捉。

臨床實踐中的交互式虛擬現實平臺

虛擬現實技術（VR）對于社會生活的影響，已輻射到醫療衛生行業，并與人類健康事業的未來發展產生了直接聯系。

臨床醫生對于疾病的了解與掌握，多依賴于醫學教科書、平面解剖圖，以及臨床實踐經驗。虛擬現實技術（VR）的介入，可以讓醫生更為直觀、深入地把握某種疾病引起的原因。利用虛擬現實技術（VR）建立起的交互式虛擬現實平臺，可以在模擬人體內部結構、臟器活動的虛擬環境下，指導醫生在更為直觀了解某一疾病的基礎上，對引起該種疾病的潛在因素進行檢查。

在人體結構的掌握以及外科手術的訓練方面，虛擬現實技術（VR）也可以發揮其獨特的功效。利用虛擬現實技術（VR）搭建起的虛擬仿真人體模型，以及VR虛擬現實頭盔、感覺手套等輔助工具，醫學生可以親臨其境般掌握人體各個器官的結構特點。此外，虛擬現實技術（VR）搭建的虛擬仿真人體模型，還可以幫助醫生進行外科手術訓練，以提升操作的熟練性，并尋求最佳的手術方案。以虛擬現實技術（VR）作為支撐的虛擬手術系統融合了人體組織動力學、移動流體學等近乎真實的虛擬仿真技術。在這一系統中，虛擬的病人不僅會出血，還會因手術活動而產生各類反應。醫生在這一虛擬但近乎真實的環境下，不僅可以規避給真實病人動手術時可能帶來的風險，更能在實施各類復雜手術的過程中提升自己的專業技能。

除了醫療教育、培訓外，治療患者也是虛擬現實技術（VR）大展身手的重要舞臺。各類疾病中，心理疾病對于病患而言可謂是一個看不見的“殺手”。如今，有了虛擬現實技術（VR）的介入，可以有效幫助自閉癥兒童學習互動技能。其利用腦計算機監測與大腦成像技術，構建虛擬場景，讓自閉癥兒童置身于近乎真實的工作、生活、面試、社交等社會活動之中。通過該技術，不僅可以增進自閉癥兒童對社會的了解，更可訓練其情感表達方式符合社會的認可，從而順利融入社會。endprint

創傷后應激障礙（Post-traumatic Stress Disorder，PTSD）能夠導致某一個體持續存在或延遲出現精神障礙。這一疾病的發生，與社會、家庭、心理、生物學等諸多因素相關。研究表明，重大創傷性事件是創傷后應激障礙發病的前提條件。因此在戰爭環境下，有的參戰士兵也會不幸患上這一疾病。為了更好地治療這一疾病，美國已將虛擬現實技術（VR）引入診療活動中。醫院在臨床診療中，利用虛擬現實技術（VR）為患者搭建了一個安全、可控的虛擬戰爭環境，如模擬阿富汗戰爭、伊拉克戰爭等，以幫助退役士兵反復體驗其所經歷過的重大創傷性事件。虛擬現實技術（VR）的優勢在于，其所模擬出的環境是根據個性化設計，且可以在安全范圍內隨時由人予以暫定或重復。通過虛擬現實技術（VR）的幫助，患者可以直面其恐懼、破除其逃避心理，進而習得危機應對策略。

虛擬現實技術（VR）與心理學相交織的特點，令科學家也關注其在分心治療方法中的特殊作用。對于燒傷患者而言，其治療過程中的疼痛問題尤為突出。每次換藥對于燒傷病患而言，無疑都是一種折磨?？茖W家們想到了利用虛擬現實技術（VR）來分散燒傷病患的注意力，采用分心治療方法來減少其在傷口處理時的疼痛感。為此，科學家研發了一款名為“冰雪世界”（Snow World）的虛擬現實視頻游戲。該游戲模擬出的世界中，不僅有著企鵝、雪人，還有著冰雪覆蓋的冰川、瀑布與河流。燒傷患者在接受治療時，可以沉浸至該游戲模擬出的畫面之中。在虛擬的環境下，患者可以向企鵝拋擲雪球或者穿越冰封的峽谷，完全融入至冰雪世界中，從而得以分散對于疼痛的注意力。簡言之，虛擬現實技術（VR）與分心治療法的結合，能夠阻礙燒傷患者大腦中的疼痛通路，抑制其自身的痛感，從而減輕其傷口換藥、理療等治療環節中的疼痛感覺。

除了醫療衛生行業外，虛擬現實技術（VR）在軍事領域中也受到了高度矚目，并逐漸將其應用于虛擬軍事訓練、設備模擬操作、飛機設備模擬維修等方面。

軍事領域中的虛擬現實技術

傳統軍事訓練中，實彈的消耗、設備的損耗都會造成巨額費用的開支，更有可能帶來人員的傷亡。利用虛擬現實技術（VR）所進行的演習，其成本僅僅只有傳統實彈演習的數百分之一，且可減少武器的損耗，對于人員而言也可實現零傷亡。

軍事類電腦游戲對于游戲迷來說并不陌生，但借用游戲來進行戰場模擬，并對士兵進行訓練則是近年來虛擬現實技術（VR）應用的成果。目前，一套名為“可拆式士兵訓練系統”（Dismounted Soldier Training System）已將游戲融合了士兵訓練過程。該系統可謂世界上首個高度仿真的虛擬現實訓練系統，能夠逼真模擬出各類戰場環境與情形。普通軍事類游戲中，用戶都是坐在計算機之前，使用鼠標進行游戲的操作。然而，僅僅通過鼠標點擊所獲得的體驗，與手持武器所獲得的真實感相比，實在相去甚遠。為了獲得“近乎真實”的全方位感官，“可拆式士兵訓練系統”利用虛擬現實技術（VR）模擬真實環境下的各類戰場情形，并配有相應硬件設置，包括能夠滿足一個小隊兵力穿戴的模擬裝置、一個用于演習控制的工作站、一個前景回溯工作站以及數個多功能工作站。與此同時，應用該模擬訓練器進行的演習與傳統軍事演習也截然不同，其完全是在室內環境下進行，每名士兵都會擁有10平方米左右的活動場地。接受訓練的士兵需要全副武器，并穿戴上布滿傳感器的護具、頭盔，以及頭戴式顯示器。該系統能夠實時捕捉到參訓士兵的所有動作與實施，并在模擬軟件中全方位呈現該名士兵的戰訓能力。

飛行器維修及跳傘虛擬模擬中的VR技術

除模擬戰場訓練外，虛擬現實技術（VR）在飛行器維修的虛擬仿真訓練中也有著創新性的應用。美國波音公司在其最新研發的一款飛行器維修訓練系統中，就專門引入了虛擬現實技術（VR）。該系統通過虛擬現實技術（VR），對飛行器進行了三維建模。訓練人員在這一虛擬現實的環境下，不僅能夠在360度視角下對“待修理飛機”進行全方位、無死角觀察，還可以使用模擬器來實施并完成所有的維修工作。同時，該系統能夠將訓練者的訓練全過程視頻錄制后發送給位于世界各地的訓練管理人員，以便于對維修訓練成果與訓練中可能存在的問題進行及時評判。

跳傘，又被世人稱之為“勇敢者的運動”，這也反映出了跳傘的驚險性與挑戰性。對于空降士兵而言，跳傘則是其必備的一項技能。在跳傘訓練中，有沒有一種既高效，又安全的訓練方法呢？答案就在虛擬現實技術（VR）之中。當前，一種利用虛擬現實技術（VR）打造的，能夠對跳傘活動中的多種感官體驗進行模擬仿真的虛擬現實系統已應用至士兵的跳傘訓練之中。士兵在進行虛擬仿真訓練時，需要戴上專用的VR眼鏡，穿戴有計算機控制的背帶系統。在模擬仿真系統的配合下，訓練者可以以第一視角的角度同步觀察其身處空中的環境情況，并在跳傘操縱的感覺中體驗自身姿態的變化。與此同時，訓練管理人員則能夠以第三人稱視角來監控訓練者的跳傘情況，并及時判斷和處置可能出現的各類特殊情況。

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.comendprint