顾名思义，虚拟现实（Virtual Reality）系统就是要在计算机里产生一个虚构的世界，让人们可以在里面进行一些仿真，可能是为了科学实验、教育训练、或是娱乐用途，其中人们最熟悉的应用就是电影和游戏。

虚拟现实系统与应用

要归纳虚拟现实系统的通用架构是很难的，因为要视不同的应用而异。在概念上来说，虚拟现实系统有三个I要素存在：沉浸（Immersion）、互动（Interaction），以及用户的想象（Imagination）。沉浸系统就是感官科技，即让用户看到和听到虚拟世界中的画面与声音，目前视觉和听觉的技术比较成熟，营造嗅觉和触觉的科技虽然也有所发展，不过仍属于较为难解的问题。

互动系统包括人机接口（User Interface）和人工智能（Artificial Intelligence），此外还包括通讯（Communication），研究的是如何以最直观的方式让用户操作虚拟世界中的人、事、物，以及如何令虚拟世界中的角色快速响应用户的操作。

除了沉浸系统和互动系统外，最重要的是引发用户的想象（Imagination），也就是要令用户愿意去相信，并愿意去接受虚拟世界的一切，所以虚拟世界中的故事剧本就必须要吸引人，以及美术与音效必须美轮美奂。总归来说，虚拟现实技术是一种系统整合的技术，其研究领域跨越科技与人性的范畴。

多样化的虚拟现实技术

描绘虚拟现实技术

描绘虚拟现实画面的技术有许多种，根据不同的应用分实时描绘（Real-time Rendering）和拟真描绘（Realistic Rendering），成本和画面质量则从低到高，前者根据光线照射角度计算物体表面明暗的Gauroud Shading技术，用在每秒需要描绘20张以上的游戏软件中，后者则是仔细计算物体之间的能量分布的Radiosity技术，如(图一)，但是描绘几分钟的影片往往就得耗费一周的时间。

《图一 以radiosity技术描绘虚拟环境的结果》 数据源：本图取材自交大资工所博士生李汪晔的研究成果

虚拟摄影棚

在现今的电影和电视制作当中，经常采用虚拟摄影棚，如(图二)。利用拟真的虚拟现实科技，描绘出高质量的画面以后，再利用蓝幕技术和数字图像处理技术，来合成以真人演员摄制的画面和虚拟世界的画面。此外，剧情中的配角和一些不存在于真实世界的动、植物，也能够以计算机模型的技术建立在虚拟世界中，不过在拍摄的过程中，演员必须对着空气演戏。

这类的应用是事前耗费大量时间，做出最逼真的效果，然后以影片的方式拨放，然而这只强调拟真但并不具互动性。不过游戏应用则是不强求画面的逼真度，只强调与用户的互动性，以致于在用户的操纵和游戏故事的进行下，必须立即描绘当时的状况。

《图二 台湾梦工厂的虚拟摄影棚》 数据源：本图取材自台湾梦工厂公司的介绍网页

电玩游戏的虚拟现实

(图三)是一款游戏的画面，大量采用贴图（Texture Mapping）来取代复杂的模型特征和光影效果，以达成实时描绘的目的。随着计算机绘图软硬件的进步，当然以拟真为主的影片制作也不断地增加互动性，例如多线发展的故事情节等；而实时互动为主的游戏，也努力采用各种特效来增加画面的逼真程度。

《图三 微软Mech Warrior试玩版画面》

沉浸式虚拟现实系统

虚拟现实系统当然不是只以平面屏幕做显示，也不是只以键盘鼠标做为输入，(图四)是工研院的沉浸式虚拟现实系统（Immersive Multi-User Virtual Space），顾名思义，用多面屏幕作为墙面所投影出来的立体影像（Stereo Image），戴上特制眼镜以后虚拟世界中的物体都会浮现到身边，并且以红外线追踪用户佩戴的传感器，让用户能够真正地和虚拟世界中的角色做肢体互动。

《图四 工研院沉浸式虚拟现实系统》 数据源：工研院光电所，2003/09

虚拟现实科技的身历其境技术

虚拟现实科技是以沉浸和互动为方向，整合现有的软、硬件技术，营造出虚拟世界的画面与音效，以及与虚拟世界中的人、事、物沟通的管道。虚拟世界在计算机中是以数学模型（Model）的型态存在着，如(图五)所示，模型是由多边形（Polygon）所组成，Gauroud Shading的原理是对每个多边形的每个顶点，根据自身的材质颜色和光照的角度计算打光后的颜色，再以线性内插（Linear interpolation）得到多边形内每个像点（Pixel）的颜色。而Radiosity技术则是以每个多边形为光能量分配的最小单位，计算多边形之间的能量传递。

《图五 虚拟世界的计算机模型：（左图）运用radiosity技术的描绘结果；（右图）原始多边形数据@中標:身历其境的技术介绍》

如果是拟真的影片制作，最基本的是必须要有拟真的描绘软件，例如Pixar公司所制作的RenderMan；如果是互动的游戏制作，必须要有强力的软件引擎（Rendering Engine）来计算并反应虚拟世界中的变化，其地位就如同电影黑客任务中的母体（Matrix）一般。由于虚拟现实是一种整合性的科技，所以相关的技术举之不尽，在此仅介绍令用户身历其境的立体显示（Stereo Display）和动作捕捉（Motion Capture）技术。

立体显示（Stereo Display）

人的两眼之间有大约六到七公分的距离，所以两眼看到的景象是有一些偏移的，在两眼所看到的影像中，越近的物体偏移越大，越远的东西偏移越小，所以人看东西有远近立体感。同样的，如果计算机绘制了具有六到七公分偏移的左右眼画面，并且正确地同步投射给观看者的左眼和右眼，就能够产生立体的感觉。

一般的立体技术都需要戴上特制的眼镜，而这种技术又分为主动式和被动式两种。主动式立体技术由显示系统主动发出电子讯号给观看者所佩戴的眼镜，当屏幕显示左眼影像的时候，眼镜会自动遮住右眼；同理，当屏幕显示右眼影像的时候，眼镜会自动遮住左眼，由于两眼影像切换的频率极高，所以人眼感觉不出这个切换和遮眼的动作。

被动式的立体技术则是在显示系统的投影机前加上偏光镜片，各只允许某一极化方向的光通过，左右眼影像允许的极化方向不同，而眼镜也是偏光片，而左眼和右眼镜片的偏光方向与左右眼影像投影机偏光片的偏光方向相同，所以刚好左眼看到的是负责左眼影像的投影机所投射出的画面，右眼则是看到的是负责右眼影像的投影机所投射出的画面，如此也能够产生立体的感觉。

此外，在一些手持装置上有被称为裸眼立体显示的技术，例如手机、笔记本电脑或立体照片；意即不需要佩戴任何眼镜，就可以看到有立体感的影像。它的原理是在屏幕或照片上铺上一层由许多圆柱体构成的透明薄膜，薄膜下的画面是由左右眼影像穿插交错（Interlace）所构成的；由于圆柱体有凸透镜的效果，使得这幅画面从左侧看时，刚好只能看到左眼的画面，而从右侧看时，也只能看到右眼的画面。这就如同玻璃制的圆柱体水银温度计，在某些角度以内才能看得到刻度的道理一样，当我们把这样的立体画面近距离摆在眼前的时候，刚好就是左眼从左侧看，右眼从右侧看，所以会产生立体的感觉。

动作捕捉（Motion Capture）

这种技术可侦测用户在真实世界里的一举一动，并录进计算机里。其主要的用途，除了用来营造真实世界和虚拟世界的肢体互动外，也用来制作精致的人物动画，例如要制作一段舞蹈的动画，与其令多媒体设计师辛苦地设计虚拟角色的一举一动，不如就直接请一名舞者跳一段舞，然后将他的动作用动作捕捉技术录进计算机里，如此一来，可达到事半功倍的效果。

动作的捕捉有许多种做法，不过依目前的技术来说，很难直接从摄影机所得的影像直接辨识人物的动作，因此各种技术或多或少都要求被捕捉动作的人佩戴传感器（Sensor）。这些传感器有电磁式、光学式，以及声波式。其中电磁式的传感器会发出磁场，而接收器（Receiver）会根据的信号变化，推算出该传感器的位置；声波式的传感器则会不断地发出超音波，接收器根据声纳原理，来推算出其位置；光学式的传感器又分为红外线反光式和高亮度LED式两种，其原理是利用多部的摄影机从不同角度拍摄画面，并依据不同画面中，同一光点的画面位置，再以三角测量原理，来推算出该光点的位置。

手势辨识（Gesture Recognition）

手势辨识（Gesture Recognition）的技术，是以动作补捉的技术为基础发展而来。被补捉者在特制的手套的各只手指布上传感器，或是整只手套都是光学材料制成，然后以动态捕捉的技术，来侦测用户的手势变化，并作为真实与虚拟世界角色的沟通接口，不过有些厂商的做法则是直接在手套里埋设光纤或电子线路。

影像式虚拟现实（Image-Based Virtual Reality）

上述的虚拟现实技术都是以计算机模型为基础，不过另有一种技术是以影像作为一个基础的技术。这个技术的原理是以相机环绕某一场景或某一物体后，连续拍摄多张照片，然后将这些连续照片扭曲缝合成圆柱体或球体类的形态再储存起来，这种技术被称为全景影像（Penoramic Image）。假如一般人需要向某一方向观看的画面的时候，就会从圆柱状或球状的影像中分离出该方向的画面，目前网页上俗称的360度虚拟现实皆属此类。

由于这种虚拟现实是由连续照片中产生，不需要透过模型的制作过程，所以制作成本非常地低廉，且因为本来就是真实照片所制成的影像，所以效果非常地逼真。但是唯一的缺点是照片拍不到的部位，计算机也无法凭空产生，以至于这样的虚拟现实只能用在定点改变观察方向，对着四面八方观看，但不能移动观察的位置。

未来的发展

在此还是从沉浸、互动、想象三个I要素来讨论未来的发展方向。虚拟现实科技是整合多样技术领域的科技，各样技术在它的专业领域也都有推进的方向。以总观地来看，虚拟现实的技术无非是提供更逼真的感官沉浸科技，以及更敏锐的感测互动科技。其实目前的效果已经令人非常地惊艳，不过从商业的角度来看，虽然虚拟现实的呈现效果已经非常精美，但制作成本却居高不下，提供的公司所能赚取的利润当然就微薄。

目前制作动画影片的成本每秒约三、四万台币，开发一款在线游戏则需要一年的时间，成本居高不下所带来的效应，除了压缩获利空间以外，制作的漫长时程也使得虚拟现实的内容不容易追赶得上流行

总结

谈了这么多技术议题，但是对用户来说，虚拟现实可能只不过是一种具有互动性的新媒体（New Media）。媒体生意的本质就在于追赶流行，以及在于引起消费者的兴趣，因此虚拟现实科技公司和其他的科技比较起来，就必须多具备经营优秀的故事脚本、优秀的视觉艺术，和优秀的音乐制作的能力。此外，公司必须对流行信息有相当敏锐的知觉，让虚拟现实能引发用户在想象方面有无限的空间。

（作者为工研院光电所副工程师，联络方式：sagitta@itri.org.tw）

延 伸 阅 读

本文是由李汪晔、李元兵、伍永康、庄荣宏，和欧阳明等人所发表关于虚拟现实的论文，内容叙述虚拟现实所包含的技术与应用层面，以及对人类的生活所造成的影响与冲击。本篇文章将以虚拟现实的技术层面着眼，探讨虚拟现实核心技术的发展现况与未来的趋势，相关介绍请见「虚拟现实的核心技术与未来发展」一文。 虚拟现实（Vitural Reality）的观念使得计算机世界的3D意义向前迈进了一大步；在这个观念下，我们才开始在计算机世界中拥有了一个真正的三度空间，而不再只是一些平面上的3D效果，你可在「虚拟现实研究数据」一文中得到进一步的介绍。 透过ADSL与Cable的宽带服务的普及，网络传输与下载速度的确快了许多，但是在视觉质量要求也相对提高后，例如CD音质、DVD影像质量及虚拟现实的影像等，再多的网络带宽绝对无法满足丰富多媒体内容网站的数据传输需求，因此以Streaming串流，让您不必下载整个多媒体档案后才能观赏的技术，势必继续成为因特网传输环境中，多媒体档案必须支持的特性，因此，这方面的媒体技术也将成为软硬件厂商的兵家必争之地，在「网络与无线串流媒体的发展」一文为你做了相关的评析。

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