第二堂課 虛擬現實技術體系
虛擬現實技術的目的在于達到真實的體驗和自然的交互，其技術體系主要由感知、建模、呈現和交互四大類技術組成（圖2-1）。
圖2-1 虛擬現實技術體系
一、感知技術
感知是人類通過感覺器官對客觀事物的信息直接獲取并進行認知和理解的過程。人的感覺器官是外部世界與大腦的數據通道。在虛擬世界中，所有感覺器官的交互都依賴于各種特定的傳感裝置，這些裝置使用各種物理現象（如聲、光、熱等）刺激人體的感覺器官；感覺器官將刺激信號轉變為神經信號，這些神經信號沿著神經系統的通道傳送給大腦，經過大腦的分析，最終得出正確的人體感覺。因此，對人的感覺器官進行生理解剖和研究，有助于發現人體的感知規律，從而設計出人性化的傳感裝置和交互設備。表2-1列出了人體的各種感覺器官以及相關的交互設備。
表2-1 人體感覺器官以及相關交互設備
（一）視覺感知
視覺是人類感知世界的最重要通道，人類感受到的信息80%來源于視覺。目前，人們對視覺器官的研究比較深入，現有的虛擬現實系統也能夠實現非常逼真的視覺沉浸感。
視覺系統的生理結構如圖2-2所示，它主要由角膜、前房、后房、晶狀體、玻璃體及視網膜等部分組成。除視網膜外的其他部分共同組成一套光學系統，使來自外界的光線發生折射，在視網膜上形成倒立的影像。
圖2-2 視覺系統的生理結構
視網膜是處于眼睛背部的多層神經細胞，這些細胞中包含了一定數量的光感受器。這些光感受器在受到特定波長光的刺激時，會通過神經網絡向大腦發出電信號。大腦通過電信號的分析，最終感受到視網膜上的影像。脊椎動物的視網膜中有兩種光感受器，其中視桿細胞負責低分辨率、單色、夜間的視覺；視錐細胞負責高分辨率、彩色、白天的視覺。
一般認為，人的視覺器官主要包含立體視覺、屈光度、瞳孔調節、分辨力、明暗適應、周圍視覺和中央視覺、視覺暫留、視場等8種不同的視覺參數，其他參數還沒有充分考慮到。
（二）聽覺感知
聽覺是人類感知世界的第二大通道。人們對聽覺器官的研究已經很深入，也實現了各種聲音的模擬技術。聽覺系統的生理結構如圖2-3所示，人耳的結構包括外耳、中耳和內耳。外耳包括耳郭和外耳道，主要起集聲作用。中耳包括鼓膜、聽骨鏈、咽鼓管等結構，主要起傳聲作用。內耳包括耳蝸、前庭和半規管，主要起感聲作用。
人耳感受聲音的過程比較復雜。總體來說，聲音源以機械波的形式存在于空氣中，經耳郭收集后，傳遞至外耳、中耳、內耳，其間能量的形式不斷轉換，以適合各部分聽覺器官的接收，最后傳至大腦，從而成為可被理解的有用信息。
人的聽覺器官包含頻率范圍、音色、聲音強度以及定位等4種感知參數。目前虛擬現實系統已能夠充分利用上述4個聽覺參數，生成真實的、具有三維立體感的聲音效果。
聽覺系統的生理結構如圖2-3所示。
圖2-3 聽覺系統的生理結構
（三）嗅覺和味覺
嗅覺和味覺都是由化學成分刺激人的鼻腔和口腔中的感覺細胞而產生的，如圖2-4所示。嗅覺是一種由感官感受的知覺，它由兩個感覺系統參與，即嗅神經系統和鼻三叉神經系統。嗅覺是外激素通信實現的前提。嗅覺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細胞和特化的嗅細胞。在嗅上皮中，嗅覺細胞的軸突形成嗅神經。嗅束膨大呈球狀，位于每側腦半球額葉的下面；嗅神經進入嗅球。嗅球和端腦是嗅覺中樞。外界氣味分子接觸到嗅感受器，引發一系列的酶級聯反應，實現傳導。
圖2-4 味覺和嗅覺的生理結構
味覺和嗅覺的原理極其相似，是通過味蕾得到味覺信息，傳遞到丘腦，然后投射到高級的味覺皮層。嗅覺和味覺會互相整合和作用。嗅覺是一種遠感，即它是通過長距離感受化學刺激的感覺。相比之下，味覺是一種近感。
由于對味覺和嗅覺運作的情形的研究還不是特別清楚，因此，目前支持對味覺和嗅覺的虛擬現實系統并不多。有一些虛擬現實產品內置了加熱裝置、冷凍裝置、噴霧裝置、振動引擎、麥克風等相關的嗅覺設備，或者實現了一些電極形式的味覺設備，但離自然的味覺和嗅覺還很遠。
（四）觸覺和力覺
觸覺和力覺是指人體表面感受到的信息。人體表面約有20多種不同的神經末梢，這些神經末梢包括了冷熱感知器、疼痛感知器、壓力感知器、接觸感知器等。當這些神經末梢受到刺激后就會給大腦發送信息，大腦最終將這些信號解釋為各種感覺。圖2-5顯示了人體皮膚表面感知器的分布。虛擬現實系統中的各種交互設備就是通過各種手段來刺激人體表面的神經末梢，從而使用戶達到身臨其境的接觸感。
圖2-5 人體皮膚表面感知器的分布
（1）觸覺。觸覺感知一般是指淺層皮膚的感受，它給用戶提供的信息包括疼痛、振動、壓力，以及物體表面的形狀、紋理、光滑度、溫度等。例如，當皮膚表面與物體接觸時會產生接觸感；當皮膚表面受到擠壓時會產生壓力感；當皮膚表面受到周期性刺激時會產生振動感。
（2）力覺。力覺感知一般是指皮膚深層的肌肉、腿和關節運動感受到的力量感和方向感，例如，用戶感受到的物體重力、方向力、阻力等。虛擬現實系統在觸覺和力覺接口方面的研究還非常有限。雖然人們已經制造出了各種刺激用戶指尖的手套，但是它們只是提供簡單的高頻振動、小范圍的形狀或壓力分布以及溫度特性，由此來刺激皮膚表面上感知器。這些只能看作是對“接觸”含義的粗略解釋，仍然不能完全滿足這方面沉浸感的需要。
（五）身體感覺
除了上述簡單的觸覺和力覺感知外，刺激身體的不同部位，人們還會產生下面三種身體感覺。
（1）深度感覺。與身體外表的觸覺和力覺不同，深度感覺提供關節、骨、腱、肌肉和其他內部組織的信息，表現為身體內部的壓力、疼痛和振動等感受。這些感受主要與人體內眾多肌肉群的收縮和舒張有關。
（2）內臟感覺。它反映胸腹腔中內臟的狀況，當身體出現問題時，主要表現為內臟的疼痛。這種感覺一般不是由外部引起的，而是由內臟器官的病變所致。
（3）體位感覺。它提供身體的位置、平衡、關節角度等姿態的感覺，如站在地上或躺在床上的感覺。人體的體位感知器位于關節、肌肉和深層組織中。這些感知器的作用原理比較復雜，例如，對關節角度的感知涉及對皮膚、組織、關節、肌肉內的不同感知器的共同刺激，這些刺激信號組合在一起，才能判斷出關節的信息，包括靜止還是運動、是否超出了活動范圍等。
虛擬現實技術對上述身體感覺的研究還處于起步階段，目前還不可能通過交互設備完全模仿出上述身體感覺。