第二堂课 虚拟现实技术体系

虚拟现实技术的目的在于达到真实的体验和自然的交互，其技术体系主要由感知、建模、呈现和交互四大类技术组成（图2-1）。

一、感知技术

感知是人类通过感觉器官对客观事物的信息直接获取并进行认知和理解的过程。人的感觉器官是外部世界与大脑的数据通道。在虚拟世界中，所有感觉器官的交互都依赖于各种特定的传感装置，这些装置使用各种物理现象（如声、光、热等）刺激人体的感觉器官；感觉器官将刺激信号转变为神经信号，这些神经信号沿着神经系统的通道传送给大脑，经过大脑的分析，最终得出正确的人体感觉。因此，对人的感觉器官进行生理解剖和研究，有助于发现人体的感知规律，从而设计出人性化的传感装置和交互设备。表2-1列出了人体的各种感觉器官以及相关的交互设备。

（一）视觉感知

视觉是人类感知世界的最重要通道，人类感受到的信息80%来源于视觉。目前，人们对视觉器官的研究比较深入，现有的虚拟现实系统也能够实现非常逼真的视觉沉浸感。

视觉系统的生理结构如图2-2所示，它主要由角膜、前房、后房、晶状体、玻璃体及视网膜等部分组成。除视网膜外的其他部分共同组成一套光学系统，使来自外界的光线发生折射，在视网膜上形成倒立的影像。

视网膜是处于眼睛背部的多层神经细胞，这些细胞中包含了一定数量的光感受器。这些光感受器在受到特定波长光的刺激时，会通过神经网络向大脑发出电信号。大脑通过电信号的分析，最终感受到视网膜上的影像。脊椎动物的视网膜中有两种光感受器，其中视杆细胞负责低分辨率、单色、夜间的视觉；视锥细胞负责高分辨率、彩色、白天的视觉。

一般认为，人的视觉器官主要包含立体视觉、屈光度、瞳孔调节、分辨力、明暗适应、周围视觉和中央视觉、视觉暂留、视场等8种不同的视觉参数，其他参数还没有充分考虑到。

（二）听觉感知

听觉是人类感知世界的第二大通道。人们对听觉器官的研究已经很深入，也实现了各种声音的模拟技术。听觉系统的生理结构如图2-3所示，人耳的结构包括外耳、中耳和内耳。外耳包括耳郭和外耳道，主要起集声作用。中耳包括鼓膜、听骨链、咽鼓管等结构，主要起传声作用。内耳包括耳蜗、前庭和半规管，主要起感声作用。

人耳感受声音的过程比较复杂。总体来说，声音源以机械波的形式存在于空气中，经耳郭收集后，传递至外耳、中耳、内耳，其间能量的形式不断转换，以适合各部分听觉器官的接收，最后传至大脑，从而成为可被理解的有用信息。

人的听觉器官包含频率范围、音色、声音强度以及定位等4种感知参数。目前虚拟现实系统已能够充分利用上述4个听觉参数，生成真实的、具有三维立体感的声音效果。

听觉系统的生理结构如图2-3所示。

（三）嗅觉和味觉

嗅觉和味觉都是由化学成分刺激人的鼻腔和口腔中的感觉细胞而产生的，如图2-4所示。嗅觉是一种由感官感受的知觉，它由两个感觉系统参与，即嗅神经系统和鼻三叉神经系统。嗅觉是外激素通信实现的前提。嗅觉的感受器位于鼻腔上方的鼻黏膜上，其中包含了支持功能的皮膜细胞和特化的嗅细胞。在嗅上皮中，嗅觉细胞的轴突形成嗅神经。嗅束膨大呈球状，位于每侧脑半球额叶的下面；嗅神经进入嗅球。嗅球和端脑是嗅觉中枢。外界气味分子接触到嗅感受器，引发一系列的酶级联反应，实现传导。

味觉和嗅觉的原理极其相似，是通过味蕾得到味觉信息，传递到丘脑，然后投射到高级的味觉皮层。嗅觉和味觉会互相整合和作用。嗅觉是一种远感，即它是通过长距离感受化学刺激的感觉。相比之下，味觉是一种近感。

由于对味觉和嗅觉运作的情形的研究还不是特别清楚，因此，目前支持对味觉和嗅觉的虚拟现实系统并不多。有一些虚拟现实产品内置了加热装置、冷冻装置、喷雾装置、振动引擎、麦克风等相关的嗅觉设备，或者实现了一些电极形式的味觉设备，但离自然的味觉和嗅觉还很远。

（四）触觉和力觉

触觉和力觉是指人体表面感受到的信息。人体表面约有20多种不同的神经末梢，这些神经末梢包括了冷热感知器、疼痛感知器、压力感知器、接触感知器等。当这些神经末梢受到刺激后就会给大脑发送信息，大脑最终将这些信号解释为各种感觉。图2-5显示了人体皮肤表面感知器的分布。虚拟现实系统中的各种交互设备就是通过各种手段来刺激人体表面的神经末梢，从而使用户达到身临其境的接触感。

（1）触觉。触觉感知一般是指浅层皮肤的感受，它给用户提供的信息包括疼痛、振动、压力，以及物体表面的形状、纹理、光滑度、温度等。例如，当皮肤表面与物体接触时会产生接触感；当皮肤表面受到挤压时会产生压力感；当皮肤表面受到周期性刺激时会产生振动感。

（2）力觉。力觉感知一般是指皮肤深层的肌肉、腿和关节运动感受到的力量感和方向感，例如，用户感受到的物体重力、方向力、阻力等。虚拟现实系统在触觉和力觉接口方面的研究还非常有限。虽然人们已经制造出了各种刺激用户指尖的手套，但是它们只是提供简单的高频振动、小范围的形状或压力分布以及温度特性，由此来刺激皮肤表面上感知器。这些只能看作是对“接触”含义的粗略解释，仍然不能完全满足这方面沉浸感的需要。

（五）身体感觉

除了上述简单的触觉和力觉感知外，刺激身体的不同部位，人们还会产生下面三种身体感觉。

（1）深度感觉。与身体外表的触觉和力觉不同，深度感觉提供关节、骨、腱、肌肉和其他内部组织的信息，表现为身体内部的压力、疼痛和振动等感受。这些感受主要与人体内众多肌肉群的收缩和舒张有关。

（2）内脏感觉。它反映胸腹腔中内脏的状况，当身体出现问题时，主要表现为内脏的疼痛。这种感觉一般不是由外部引起的，而是由内脏器官的病变所致。

（3）体位感觉。它提供身体的位置、平衡、关节角度等姿态的感觉，如站在地上或躺在床上的感觉。人体的体位感知器位于关节、肌肉和深层组织中。这些感知器的作用原理比较复杂，例如，对关节角度的感知涉及对皮肤、组织、关节、肌肉内的不同感知器的共同刺激，这些刺激信号组合在一起，才能判断出关节的信息，包括静止还是运动、是否超出了活动范围等。

虚拟现实技术对上述身体感觉的研究还处于起步阶段，目前还不可能通过交互设备完全模仿出上述身体感觉。