虚拟现实技术的特征和意义

如图8-3所示，虚拟现实技术的三大主要特征，分别是沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和想象性（Imagination），也就是人们所熟知的“3I”特征。

图8-3 “3I”特征

1.沉浸性

我们经常用“身临其境”来形容梦境的真实，用“引人入胜”来形容某种环境的精彩程度，可见在塑造虚拟环境的过程中，吸引用户使用虚拟现实系统最关键的因素就是能让用户有置身于真实世界的感觉。

沉浸性（Immersion）是指用户作为主角被虚拟世界包围，感觉好像完全置身于虚拟世界中一样。我们身处真实世界之中，通过五官和躯体全方位地感知这个世界。虚拟现实技术与此类似，其最主要的技术特征是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中真实的一员。我们不再是上帝视角的旁观者，能看到虚拟世界中的阳光，闻到花朵的芬芳，听到泉水潺潺轻响，摸到岩石的棱角，用现实生活中感知世界的经验感知虚拟世界，沉浸其中并参与虚拟世界的活动。理想的虚拟世界应该达到使用户难以分辨真假的程度，甚至超越真实，实现比现实更逼真的照明和音响效果。

沉浸性主要包括以下几方面的特性：

（1）多感知性

沉浸性来源于对虚拟世界的多感知性，除了常见的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、味觉感知、嗅觉感知等。但受目前虚拟现实传感技术上的限制，虚拟现实技术所具有的感知功能种类有限，而且其感知范围和精确程度都无法和人相比。

（2）自主性

自主性是指虚拟环境中的物体依据真实世界的自然规律或设计者设定的规律运动的程度。这就像自然世界中万物生长的法则：太阳每天东升西落，棕熊冬季冬眠，春季万物复苏。虚拟世界自成系统也应具有类似的自然规律，这些规律包括物理的、化学的、生理的以及心理的，大到虚拟环境中光照、阴影的安排，小到物体受力时的运动方向。

（3）其他特性

除以上方面，影响沉浸感的因素还体现在图像的深度信息，如图像表现是否与生活经验一致，画面的视野是否与人眼相配，画面跟踪的实时性，以及交互设备的约束程度等。

2.交互性

交互性（Interactivity）的产生涉及人与机器的感知与作用力的传递过程，即在用户接触虚拟环境中的物体时，能感知物体的各项物理属性，并能通过施加作用力改变虚拟环境中的物体。例如，用户可以用手直接抓去虚拟世界中的物体，这时手能感知物体的重量、形状和质感，并且场景中被抓的物体也能立刻随手的运动而移动。该过程主要借助于虚拟显示系统中的特殊硬件设备（如数据手套、力反馈装置等）实现。

需要注意的是，在该例中提及了交互性中另一个重要的特性——交互的实时性，即当对虚拟环境中的物体施加某种动作时，该物体应该立即发生变化。

3.想象性

想象性（Imagination）是指虚拟环境是人想象出来的，因此虚拟环境中的所有布置都应与设计者的思想相呼应，并用来实现一定的目标。虚拟现实技术不仅仅是一个用户与计算机沟通的媒体或一个高级用户界面，同时它还是开发者设计出来以解决工程、医学、军事等方面的问题的应用软件。可以通过虚拟现实技术跨越时间和空间的限制，探索过去或未来发生的事件（例如恐龙世界探险）；可以突破人体生理上的极限，在幻想世界中完成不可能完成的任务（水底行走两万里或者在空中翱翔）；可以模拟某种极为特殊或复杂的环境，训练和测试参与者的体能与应变能力（模拟太空环境训练宇航员等）；还可以将五彩斑斓的设计理念变成同样五彩斑斓的幻想世界展示在众人面前（通过虚拟现实系统实现室内外或景观的设计与仿真）。

虚拟现实技术在当今社会许多领域中都发挥着十分重要的作用，如核试验、新型武器系统设计、医疗手术的模拟与训练、客机驾驶员的起降和平飞驾驶技术训练、自然灾害的模拟与预报等。如果用传统方法解决这些问题，必然需要花费大量人力、物力，反复进行情景重现、样机实验、改型试验等，而危险环境下的实验甚至可能造成人员伤亡。虚拟现实技术的引入，为这些问题的解决提供了新的思路。可以通过架构虚拟场景，依靠人的感知能力全方位地获取知识，或者通过计算机实验，替代或辅助产品的设计与开发，寻求解决问题的新方式。

另外，需要注意的是，虽然从观看者视觉角度来说虚拟现实技术与三维动画技术差别不大，但两者其实是两种不同的技术。三维动画技术是依靠计算机预先处理好的路径上能看到的静止画面连续播放而形成的，不具有任何交互性，用户只能按设计者的期望被动地看到设计者希望他们看到的景物；虚拟现实技术截然不同，它需要计算机实时计算场景，根据用户的需要向用户展现他们希望看到的场景。交互性是虚拟现实技术和三维动画技术最大的不同。