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这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔(JaronLanier)在二十世纪八十年代初提出的,我国著名科学家钱学森将它翻译为灵境技术。
它是将模拟三维环境、视景系统和仿真系统合三为一,并利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等传感装置。
把操作者与计算机生成的三维虚拟环境连结在一起,操作者通过传感器置与虚拟环境交互作用,可获得视觉、听觉、触觉等多种感觉。
数字虚拟的主体很明确,即数字化手段;
虚拟的内容也很清楚,即除现实世界以外还包括人眼不及的范围乃至纯粹想象的东西;
而虚拟现实很容易被人理解为利用一切可能的手段(不一定局限于数字化)对现实世界(不包括非现实领域)的虚拟。
(图5虚拟现实传感器)
虚拟现实技术最重要的特点是沉浸感、互动性。
数字虚拟并不排除对数字虚拟进行各种操控行为(通常为互动行为)或物理设施,但它可以纯粹的数字化形式呈现。
从这个意义上讲,数字虚拟包括虚拟现实。
(图6电脑绘制游戏场景)
笔者之所以对数字虚拟的含义作如此界定,是觉得这样会使数字虚拟更具大众性,更具普及意义。
因为目前乃至以后相当一段长的时间里,营造强烈的沉浸感、灵敏的互动性数字虚拟环境势必需要巨额资金的投入,场地也很容易受到限制,受惠的人群会很小,享受的时间也无法得到保证。
数字虚拟的起点则可以非常低。
有时一张光盘,一幅数字图像,都有可能时刻给人们的生活带去美好的享受。
说到数字虚拟,很容易让人联想到数字地球、数字城市等概念。
数字地球本质上是一个超大信息系统,它是对真实地球及其相关现象的统一性的数字化重现与认识,它具有空间性、数字性和整体性。
数字地球的某些内容可以采用数字虚拟的方法实现,反过来,数字虚拟的某些内容也可能属于数字地球的一个部分。
因为数字虚拟的主体是人,而人是地球的组成部分,所以从从这个角度上讲,推进数字虚拟也是数字地球的一个重要举措。
数字地球包括数字城市、数字农村等。
数字虚拟听似虚无,实则现实,无所不能,它超越了数字地球概念。
它可以是地球、可以是城市、也可以是树、可以是森林、也可以是浩瀚的海洋、还可以是无垠的宇宙太空、还可以是人眼看不见的微观世界、可以深入人的五脏六腑、还可以是纯粹的抽象世界。
(视1大话西游之仙履奇缘)
数字虚拟完全依赖人的想象力。
可以说,人的想象力有多丰富,数字虚拟的世界便会有多精彩。
数字虚拟将构建一个全新的世界,人类会因为拥有这个全新的世界可能改变世界观、人生观,这种改变肯定是积极的、向上的,从而对现实世界的影响也是积极的、向上的。
数字虚拟世界是精彩的、有价值的,无论怎样鼓吹这个世界的精彩和价值都不为过。
2数字虚拟构建精彩现实的条件
2.1所想即所得的造型技术
造型分平面(二维,2d)和立体(三维,3d)两大类型。
计算机平面造型技术早已成熟,这方面的工具非常多,可以分为位图格式类型)矢量格式类型。
前者著名的工具有PhotoShop、Painter,后者著名的有Illustrator、FreeHand、CorelDraw。
(图7相关软件界面组合)
数字建模平台(工具)也非常多,也各有特色,它们都能建造出非常细腻、真实的模型,光景表现也具有很强的感染力。
综合性的有3DSmax、Maya、LightWave、SoftImage、TrueSpace等,专攻某一类型的有Poser(人体角色)、VueE’sprit(景观)、ZBrush(雕刻)等。
(图8相关软件界面组合)
另外有一种造型方法是采用纯粹的计算机程序设计。
这对作者要求非常高,除了要有熟练的计算机程序语言编写的技巧,还要求对数学、计算机图形学等学科有相当的修养。
这对国内大多数造型人来说太可能。
但这并不排除纯编程图像给现实生活带来某种实用功效或欣赏价值。
(图9分形画面)
实际上,进入计算机的东西都是数字化的内容,所以获取数字造型最为简便的方法是数字拍摄或扫描。
可以说,自从计算机(PC)具备了非凡的造型能力开始,便已经有了数字虚拟构建精彩现实的景象。
2.2调度灵活的动画实现技术
人们描绘某个形象时总喜欢用“生动”一词,可见“活生生”、动感十足的东西更能引人注目。
现代计算机动画制作技术已经相当发达,也已经相当普及。
制作工具五花八门,类型多样,风格各异,而且不断更新换代,不断完善。
如擅长二维动画的有Flash、Animo、USAnimation、Retas等,擅长三维动画有3DSMax、Maya、LightWave、SoftImage等,擅长动画数据整合编辑的有MotionBuilder等,擅长合成剪辑的有AfterEffects、Premiere绘声绘影Combustion、Digitalfusion等,擅长渲染的有RenderMan、VrayBrazil等,擅长集成互动控制的有Director、AuthorWare、TheGamesFactory、Virtools、VisulStudio等。
(图10相关软件界面组合)
上面许多工具对于非专业人士根本没有必要去了解、掌握,只要利用合成技术结合实拍也能制作出精彩的动画,如定格动画制作就采用了这种方法,掌握起来非常简单,很容易普及,能让人人享受动画的乐趣。
(图11定格动画片《鬼妈妈》剧照)
2.3实时三维图形生成和显示技术
因为数字图像依赖计算机的速度和显示刷新要求频率的。
如果数字图像的构建十分复杂、内容非常多,一般的计算机和显示卡可能就无法实现图像编辑与计算机计算及图形卡显示刷新同步。
在虚拟现实系统中,必须解决声音的方向与用户头部运动的相关性问题,以及在复杂的场景中实时生成立体图形的问题。
如今的计算机硬软件技术水准,对于一般的数字虚拟已经不成问题,如果最终又不要求在互联网上运行,只要做好设计的统筹(前期设计),优化好模型的构建工作,是完全可以达到寻常的数字虚拟消费水准的。
(图12动画片《梦回殷墟》角色与场景、道具)
2.4专门的交互设备
在虚拟现实系统中,必须解决用户能够直接操作数字虚拟物体,并感觉到数字虚拟物体的反作用力,从而产生身临其境的感觉的问题。
虚拟现实中的人机交互最为简便的利用键盘和鼠标,高级的则需要设计数字头盔、数字手套等复杂的传感器设备,解决三维交互技术与语音识别、语音输入技术等人机交互的手段问题。
尽管目前这些设备的传感器的灵敏性、数据传输的精确度还或多或少存在不足,但已经具备一定的消费诱惑。
(视2虚拟现实场景)
图1虚拟现实系统的主要设备
2.5分布式数字虚拟系统
人们对精彩程度的需求是没有止境的,如果需要更多的资源满足精彩期望值,可能需要构建一个规模较大的数字虚拟系统,去整合大量的感知信息和模型。
因此必须解决将信息同步、数据转换、信息识别和合成技术集成在一个系统之中,创造协同工作平台的问题。
这就需要借助相应的计算机技术、通信技术、网络技术、信息安全技术等技术的支撑。
(图13分布式虚拟现实示意图)
2.6数字虚拟产品消费平民化
扩大宣传让更多的人认识感受到数字虚拟魅力。
产品进入人们的日常生活,利用虚拟的商街购置各种生活用品,或者干脆在数字虚拟的商街购置数字虚拟的产品。
(图14虚拟商街与虚拟商品)
2.7数字虚拟系统管理规范化
对数字虚拟的领域进行统一、规范的管理,确保数字虚拟产品的生产与销售进入良性状态。
如果管理、控制不到位,将无法确保数字虚拟产品品质的提升,数量提供的稳定性,同时也将确保内容的合法性、健康性,从而也无法确保数字虚拟构建精彩现实。
3数字虚拟构建精彩现实的途径
九十年代,数字虚拟技术应用研究全面展开。
有人曾对全世界范围内进行的805项数字虚拟技术研究项目作了统计,结果表明:
娱乐、教育及艺术方面的占据主流,达21.4%,其次是军事与航空达12.7%,医学方面达6.13%,机器人方面占6.21%,商业方面占4.96%,另外在可视化计算、制造业等方面也有相当的比重。
3.1数字娱乐休闲
3.1.1数字电影和电脑游戏
就目前乃至很长一段时间里,数字虚拟将会以数字电影和电脑游戏的形式去影响人们的生活。
人们已经从无所不能的数字虚拟特效中感受到数字虚拟的震撼,并且开始习以为常。
突然3D《阿凡达》推出,一下子掀起立体数字影像的热潮。
国内外立体数字电影纷纷推出。
立体影像因为给人以强烈的真实感而深受人们欢迎,而数字虚拟因为无所不能、无所不包的表现能力,使人们从影片中体验到现实世界中无法体验的环境。
伴随价廉物美轻型化、便携式立体显示设备或工具的不断推出以及立体电脑显示器(或外挂观察器)的普及,立体影像的欣赏不再局限于影院,而会很快进入平民百姓人家,甚至时刻伴随在消费者的身边。
(图15国内外拟拍或正在拍摄的3D动画片、游戏宣传画)
3.1.2数字虚拟馆所
数字虚拟技术所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术(如油画、雕刻等)转化为动态的,可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。
另外,数字虚拟技术能够提高艺术的表现能力,如一个虚拟的音乐家可以演奏各种各样的乐器,手足不便的人或远在外地的人可以在他生活的居室中去虚拟的音乐厅欣赏音乐会等等。
利用数字虚拟技术可以使博物馆内的藏宝走出封闭的玻璃柜台或画框,与观众进行深度交流,使原本古板、冷漠、神秘的宝贝显得那么平易近人、通俗易懂。
正因为人们已经认识到数字虚拟的如此神奇功能,所以世界范围内不少数字美术馆、博物馆先后建起并产生良好的社会效益和经济效益。
数字虚拟现实技术还能被用来虚拟各种娱乐场所,让人们从中获得如同现实甚至比现实更多的快乐。
如果你是一个喜欢泡酒吧的人,又不具备天天泡酒吧的经济实力,那完全可以用家中的电脑设备虚拟拟出酒吧里的浪漫情调。
(视3上海世博会法国馆数字虚拟漫游)
数字立体虚拟让人感受到精彩虚拟世界的各种元素,并据此生产成实实在在的物品或是玩具、图书,它的畅销给生产者带来喜悦,同样也给购买者带来愉悦,这一切都是数字虚拟带来的精彩。
(图16数字虚拟衍生产品)
3.1.3数字虚拟旅游
数字虚拟技术在旅游中应用有如下几种方式:
一是现有景观数字虚拟再现。
多视角,全方位,多层面的展示;
实时解说、模拟四季变化、阴晴风雨、雪雾黄昏。
二是对现实存在、但出于安全、时间、费用等客观原因,不对外放或者即使对外开放但游人很难到达的景观进行数字虚拟。
三是对现实中不存在,而史书中记载或者经科学推理应该存在的进行的数字虚拟。
四是对仅存在于美好的神话传说中的场景进行虚拟。
五是针对目前人类还不太可能达到的地方而言的,例如到达月球的太空旅游以及探测火星的星际旅游等等。
(视4故宫互动)
数字虚拟旅游不仅仅是景点的简单呈现,而且可以是艺术化的原创,必要时可以做变视觉传达方面的详略取舍,突出精彩,弱化不够精彩的部分;
还可以通过程序控制来自动伴随时间的变化而呈现外表特征的变化,这就是所谓旅游资源的扩展延伸。
(视5圆明园重现)
由此可见,数字并不因为抽象而冰冷,相反,因为其无所不能的虚拟能力吸引着世人、影响着世人,让世人享受着精彩的现实,在现实感受着精彩。
笔者的《神农》,总计360集,共分三个生产周期,每个周期生产120集。
120个药神,120个病魔,他们数字虚拟,可连同他们生活场地,都是数字虚拟,每一个场景都是精美的,风光无限或惊险刺激的教学虚拟场景,人们可以在这现实中根本不存在的虚拟世界中获取多感官的愉悦。
(图17《神农》美术设计稿)(视5《杜仲》动画片剪辑)
3.2数字虚拟辅助学习
3.2.1数字虚拟基础教育
如何让青少年的学习过程变得轻松愉快,一直是人们尤其是广大教育者积极探索的问题,数字虚拟技术一经面世,便因其生动形象、无所不能的能耐立即受到重视并加以运用。
科普动画片、多媒体教学光盘纷纷推出,将原本抽象、难懂、难记的知识传达得那么具体、通俗、深刻,将原本只有家庭很富裕的孩子才能学到的知识,廉价了传授到了所有热爱学习的同学的脑海中,将原本让教与学双方感到非常尴尬的知识很自然、很恰当地实现了传达与领悟的对接。
(视6科普动画片)(图18多媒体教学光盘)
3.2.3数字虚拟培训
有许多职业技能培训因为培训素材成本异常高昂或者不易获取而很难普及,如医疗培训的“尸体”解剖培训。
引进数字虚拟技术,拟手术实验室,虚拟“尸体”,则可以解剖和各种手术练习。
用这项技术,既不受标本、场地等的限制,又能培训使学生反复实践,还能使费用大大降低。
另外,一些用于医学培训、实习和研究的虚拟现实系统,仿真程度非常高,其优越性和效果甚至超过实物。
例如,导管插入动脉的模拟器,可以导管插入动脉时的操作;
眼睛手术模拟器,根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像,并带有实时的触觉反馈,学生利用它可以观察模拟移去晶状体的全过程,并观察到眼睛前部结构的血管、虹膜和巩膜组织及角膜的透明度等。
还有麻醉虚拟现实系统、口腔手术模拟器等。
(视7医疗动画片)
3.2.4数字虚拟阅读方式
数字虚拟电子相册(画册)、电子书籍可以尽可能保留过去人们纸介阅读氛围,同时充分发挥多媒体的优势,极大丰富页面内容的呈现方式,让阅读者在阅读过程中的历验多感官美好感受。
数字虚拟电子读物以其充满个性而富于变化的形式已经吸引着广大的人群,它注定会改变人们阅读的方式。
(视8《人口普查》电子画册、视9《梦回殷墟》电子画册、视10《杜仲》电子画册)
3.3数字虚拟方便生活
3.3.1数字虚拟电子商务
真实感不强一直是制约消费者应用电子商务的主要因素之一。
数字虚拟技术在电子商务上的应用,将能大大拉近买家与商家的距离,买家可以在网上立体地了解产品的外观、结构及功能,与商家进行实时交流,甚至可以亲临产品生产厂家进行实地考察,对厂家的生产规模、设备配备进行全方位的了解。
把这一技术应用于电子商务,将能突破真实感对电子商务发展的制约,吸引更多的消费者接受及积极参与电子商务,促进电子商务的发展。
(视11相关视频)
3.3.2数字虚拟地图
通过数字虚拟技术将目标地以三维仿真展示形式搬到了互联网上,同时将地理分类信息与三维展示相结合,行者只要轻点鼠标,即能在电脑上看到你想要去的地方,道路、建筑、交通状况、甚至建筑内的分布、格局,都立体、完整地展现在你眼前。
大到该区域每栋建筑的高度、外观、颜色,小到路边哪里有个标牌,哪里有旗杆,都清清楚楚,还可以利用鼠标进行三维移动,让目标物前后左右的情景都全方位呈现,极大的方便了市民的出行以及为各种消费行为提供了准确详实立体的指引。
(图19电子地图)
3.3.3数字虚拟产品设计
数字虚拟技术可以帮助进行产品设计。
设计人员用一个虚拟的产品来分析、研究、检查所设计的产品是否合理,有毛病没有,应如何修改。
在对虚拟产品品评和考查中,如发现问题,可再修改设计,使产品设计得更好,而不是在投产前先制造一个模型或样品。
在建筑设计中,要考虑结构、强度、采光、声音效果、通风等许多问题,而这些问题要预先估计出来是比较困难的。
利用虚拟现实技术,虚拟出建筑物,可以让设计人员清楚地看到一座建筑物的内外景观,甚至可以“进入”建筑物中走走、看看、摸摸,对设计进行修改,在建筑设计竞赛投标时,评审人可进入建筑物进行考查。
对于讲演厅、电影院的设计,则可用虚拟现实技术来考查声音效果,帮助设计人员改进设计。
(视12消防产品视频、视13太阳能产品视频、视14工业产品互动)
3.3.4数字虚拟决策依据
决策需要攻取各种可信依据。
但在现实中获取必要依据往往并不容易。
采用数字虚拟的方式进行科学的模拟,既可以作为决策团队决策的交流,又可以作为决策的依据作出快速决策。
例如,在设计一个水库的过程中,根据不同的设计方案,用虚拟现实的方法比较蓄水后的周边情景,看到可能淹没哪些村庄、农田、文物;
如果水位到达或超过警戒水位之后,可能哪些堤段会出现险情;
万一发生决口将淹没哪些地区。
根据不同的现场模拟结果,比较不同的设计方案,为决策提供科学的依据。
数字虚拟还可以作为投资决策。
例如,在当今的产品博览会或商贸洽谈会里,许多产品生产厂家已经采用非常真实的、生动的数字虚拟产品的操作过程展示或功能呈现,企图博得商家或投资人的信服或订货兴趣。
随着数字虚拟技术的有各行各业的应用,人们已经开始意识到数字虚拟技术已经和理论分析、科学实验一样,成为人类探索客观世界规律的三大手段之一,也是未来物联网应用的一个重要的技术手段。
4对数字虚拟构建精彩现实的畅想
笔者常常想:
人类在什么情况下才能不去破坏地球?
什么样的产品才是真正意义上的绿色产品?
什么才算是环保、低碳甚至无碳?
什么样的环境里才能彻底让人类的心灵实现自由?
或者说彻底满足人类的各种愿望?
最有希望的出路是造就另外一个“地球”,一个完全用数字虚拟的世界。
人们只要从现实地球中获取肉体生存的物质保障,更加高级的精神享受几乎无不能够在数字虚拟的世界里得到。
这些缤纷多彩的数字虚拟内容对现实世界几乎没有任何破坏性,可以讲是最安全、最环境、最绿色、最无害的世界,它可以打造一个吸引人类去畅游的世界,这对当前人满为患的地球而言,可以减轻许多压力,这对保护地球,同时也是保护人类,是有很大好处的。
人们已经体验、感知到数字虚拟能够构建精彩现实。
但目前,有这方面感知、体验的人群并不宽泛。
客观原因是现有的数字虚拟技术还不完善,导致数字虚拟的结果并不能够吸引足够多的人去消费,另外,高端的数字虚拟技术成本非常高,具备相应消费的人群也非常有限。
但是,数字虚拟技术确确实实在突飞猛进。
环境建模技术不断完善并且将迅速推广,互动设备、沉浸式设备也在日新月异而且价廉物美,各种虚拟技术分布式系统的耦合进一步得到实现。
人们对数字虚拟的认识与消费需求迅速增长,与此同时,关于数字虚拟的管理日趋完善,人们进入正常的数字虚拟产品消费状态,并从中享受着精彩的生活。
参考文献
钱伟等.数字城市建设.北京:
科学出版社.2007
[美]朱迪.真实感的诱惑:
《阿凡达》的特效制作.北京:
影视艺术.2010
潘金贵.分形艺术程序设计.南京:
南京大学出版社.1998
[美]托尼.怀特.从铅笔到像素—数字动画经典教程.北京:
人民邮电出版社.2009
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