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虚拟现实的沉浸技术

沉浸(Immersion)在虚拟现实中是一种感觉,身体在非物质世界中存在。感知是通过在图像,声音或其他刺激环境中围绕VR系统的用户而创建的,这些刺激提供了一个引人入胜的整体环境。

浸入式或身临其境的状态是一种心理状态,即受试者不再意识到自己的身体状态。它经常伴随着高度集中,时间和现实的混乱概念。这个术语广泛用于计算,虚拟现实和视频游戏(如MMORPG),但可能被误用为流行词。

在虚拟现实领域,身临其境的系统也被用来将用户沉浸在一个熟悉的环境中,无论是为了分散注意力还是为了训练的目的 – 灌输反射,然后用于真实情况,或者远程重建真实的系统哪一个可以通过遥控操作。例如,“未来派普瓦捷”或虚拟驾驶舱中的无人驾驶无人机等等。浸泡的程度取决于感觉与用户习惯的感觉的一致性以及它们之间的不同感觉(例如触摸和视觉)的适当性。

这个名字是隐喻应用于表现,小说或模拟的经验的隐喻用法。沉浸也可以被定义为意识状态,其中“访客”(Maurice Benayoun)或“浸入式”(Char Davies)的身体自我意识被人为环境所包围,用于描述部分或完全暂停怀疑,对虚拟或艺术环境中遇到的刺激采取行动或作出反应。虚拟或艺术环境忠实地再现现实的程度决定了怀疑的暂停程度。怀疑的停止越大,实现的程度就越大。

与被动电影沉浸相比,虚拟现实允许与虚拟环境相互作用,因此可以实现更高的沉浸强度。

当用户被允许直接与之交互时,它被称为一个沉浸式的虚拟环境。具有适当交互硬件的CAVE就是这种系统的一个例子。相反,非沉浸式虚拟现实,例如在PC上运行的3D-CAD系统中。

迷人和复杂的虚拟世界导致更大的沉浸感,以及控制器,允许自然与虚拟世界的交互。在极端的情况下,这可能意味着玩家必须在VR游戏结束后适应现实世界。强度还取决于玩家的个性和游戏的持续时间。

美国数字媒体教授珍妮特·默里(Janet H. Murray)形容如下:
“被运送到一个精心模拟的地方的经历本身是愉快的,不管幻想的内容如何,​​沉浸是一个隐喻性的术语,来源于被淹没在水中的身体经验,一个池中或池中的女人:在一个池子里,我们整个感性的工具。“

理查德·巴特(Richard Bartle)区分了四种不同的沉浸层次(沉浸层次):
玩家:角色是影响游戏世界的手段。
头像:角色是游戏世界中玩家的代表。玩家在第三人称中谈论角色。
角色:电脑玩家识别角色,并在第一人称中谈论他们。
人物角色:角色是电脑玩家身份的一部分。他不是在虚拟世界中扮演角色,而是在自己的虚拟世界里。
例如,第一人称射击游戏的电脑游戏类型基本上是从角色角度来看的,也就是第一人称视角。游戏设计师使用这里的沉浸式让玩家尽可能直接地体验虚拟世界。

类型:
根据游戏设计的作者和顾问Ernest W. Adams的说法,沉浸式游戏可以分为三大类:

在进行涉及技巧的触觉操作时,会遇到战术性的沉浸感。玩家感觉“在区域内”,同时完善导致成功的行动。

战略沉浸是更大脑的,并与精神挑战相关联。当选择一个正确的解决方案之间的广泛的可能性国际象棋球员体验战略沉浸。

当玩家投入到一个故事中时,叙述性的沉浸就会发生,并且与读书或看电影时的经验类似。
StaffanBjörk和Jussi Holopainen在“游戏设计模式”中将沉浸感划分为相似的类别,但分别称之为感觉运动沉浸,认知沉浸和情感沉浸。除了这些,他们增加了一个新的类别:

当玩家感觉模拟世界是令人信服的时候,就会发生空间沉浸。玩家觉得他或她真的是“在那里”,模拟的世界看起来和感觉是“真实的”。

存在:
“存在”是一个由原来的“远程呈现”缩短而来的术语,是一种现象,使人们能够通过技术与身体之外的世界进行互动,并感受与世界的联系。它被定义为一个人在一个媒介描绘的场景中的主观感受,通常是虚拟的。大多数设计师专注于用来创建高保真虚拟环境的技术;但是,还必须考虑到实现在场状态所涉及的人为因素。这是主观认知,虽然是由人造技术产生和/或通过人造技术过滤,最终决定成功实现存在。

虚拟现实眼镜可以产生模拟世界中的内脏感觉,这种空间沉浸的形式称为存在(Presence)。根据Oculus VR,实现这种内脏反应的技术要求是低延迟和精确的运动跟踪。

沉浸式的虚拟现实:
身临其境的虚拟现实是一种虚拟的未来技术,大多数情况下,虚拟现实技术作为虚拟现实艺术项目而存在。它包括沉浸在人造环境中,用户感觉就像他们通常在一致的现实中感觉一样沉浸。

神经系统的直接相互作用:
最经考虑的方法是直接诱导组成虚拟现实的感觉。在功能主义/传统生物学中,我们通过神经系统与一致的现实进行交互。因此,我们收到所有感官的所有输入作为神经冲动。它给你的神经元感觉增强。这将涉及用户接收输入作为人为刺激神经冲动,系统将接收中枢神经系统输出(自然神经冲动),并处理它们,使用户与虚拟现实交互。身体和中枢神经系统之间的自然冲动需要防止。这可以通过使用纳米机器人来阻止自然冲动来完成,而纳米机器人依附于大脑布线,同时接收描述虚拟世界的数字冲动,然后可以将其发送到大脑的布线中。用户和存储信息的计算机之间的反馈系统也是需要的。考虑到这样一个系统需要多少信息,它很可能是基于假想的计算机技术形式。

要求:
了解神经系统
全面了解哪种神经冲动对应于哪种感觉,以及哪种运动冲动对应于哪种肌肉收缩是需要的。这将允许用户中的正确感觉以及虚拟现实中的动作发生。蓝脑计划是当前最有前途的研究,其理念是通过构建超大规模的计算机模型来理解大脑的工作方式。

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能够操纵中枢神经系统
神经系统显然需要操纵。尽管已经假设使用辐射的非侵入性装置,但是侵入性控制植入物可能会更早可用并且更准确。操纵可能发生在神经系统的任​​何阶段 – 脊髓可能是最简单的;当所有的神经通过这里,这可能是唯一的操纵地点。分子纳米技术可能提供所需的精确度,并且可以允许将植入物建在体内,而不是通过手术插入。

计算机硬件/软件来处理输入/输出
一个非常强大的计算机将是必要的处理虚拟现实复杂到足以几乎无法区别于一致的现实,并与中枢神经系统相互作用足够快。

沉浸式数字环境:
身临其境的数字环境是一个人造的,交互式的,计算机创造的场景或用户可以沉浸其中的“世界”。

沉浸式的数字环境可以被认为是与虚拟现实的同义词,但没有暗示真实的“现实”正在被模拟。身临其境的数字环境可能是一个现实的模型,但也可能是一个完整的幻想用户界面或抽象,只要环境的用户沉浸在其中。沉浸的定义是广泛的和可变的,但是在这里它被认为仅仅意味着用户感觉他们是模拟的“宇宙”的一部分。身临其境的数字环境能够让用户沉浸其中的成功取决于诸如可信的3D计算机图形,环绕声,交互式用户输入以及诸如简单性,功能性和享受潜力等其他因素的许多因素。目前正在开发新技术,这些新技术声称会给玩家的环境带来逼真的环境影响,如风,座椅振动和环境照明等。

知觉:
为了创造一个完全沉浸的印象,五感应将数字环境视为真实。身临其境的技术可以误导人们的感官:全景3D显示环绕声力反馈和动作识别设备人工创造的口味和气味

相互作用:
一旦感官认为数字环境足够真实,用户必须能够以自然而直观的方式与环境进行交互。运动识别等众多身临其境的技术可以响应用户的行为。控制大脑接口(BCI)对神经元活动的反应甚至已经开始出现。

示例和应用程序:
通过情景模拟(如危机反应或车队驾驶员培训),训练和排练模拟运行的是部分任务程序训练(通常是按钮学,例如:您推动哪个按钮来部署加油热潮)的全部范围,训练飞行员或士兵和执法人员在实际设备上使用现行法令过于危险的情况。

从简单的街机到大型多人在线游戏的电脑游戏,以及飞行和驾驶模拟器等训练项目。诸如运动模拟器之类的娱乐环境,将运动员,玩家沉浸在虚拟数字环境中,通过运动,视觉和听觉提示进行增强。现实模拟器,比如卢旺达的维龙加山脉(Virunga Mountains)之一,可以带你穿越丛林,与山地大猩猩部落相遇。或者是训练版本,例如模拟乘坐人体动脉和心脏来观察斑块的积聚,从而了解胆固醇和健康。

与科学家并行的艺术家,像Knowbotic Research,Donna Cox,Rebecca Allen,Robbie Cooper,Maurice Benayoun,Char Davies和Jeffrey Shaw等艺术家使用身临其境的虚拟现实来创造生理或象征性的体验和情境。

沉浸技术的其他例子包括具有周围数字投影的物理环境/身临其境的空间以及诸如CAVE的声音,以及使用虚拟现实耳机观看电影,对所呈现的图像进行头部跟踪和计算机控制,以使观看者看起来在现场。下一代是VIRTSIM,它通过运动捕捉和无线头戴式显示器完全沉浸在多达13台沉浸式摄像机的团队中,通过同时在虚拟空间和物理空间的空间和相互作用实现自然运动。

用于医疗护理:
与沉浸式虚拟现实相关的新研究领域每天都在涌现。研究人员认为虚拟现实测试在精神病护理中作为补充性访谈方法具有巨大的潜力。身临其境的虚拟现实在研究中也被用作一种教育工具,在这种工具中,精神状态的可视化已经被用来增加对具有类似症状的患者的理解。新的治疗方法可用于精神分裂症和其他新开发的研究领域,沉浸式虚拟现实有望在外科手术的教育,受伤和手术的康复计划以及幻肢痛的减轻方面得到改善。

建筑环境中的应用程序:
在建筑设计和建筑科学领域,采用沉浸式虚拟环境来帮助建筑师和建筑工程师通过同化他们的规模感,深度感和空间感来加强设计过程。这些平台将虚拟现实模型和混合现实技术的使用融合到建立科学研究,建筑运营,人员培训,最终用户调查,性能模拟和BIM可视化等各种功能中。头戴式显示器(具有3自由度和6自由度系统)和CAVE平台用于不同设计和评估目的的空间可视化和建筑信息建模(BIM)导航。客户,建筑师和建筑物所有者使用来自游戏引擎的派生应用程序来导航1:1比例的BIM模型,从而允许未来建筑物的虚拟漫游体验。对于这样的用例,虚拟现实耳机和2D桌面屏幕之间的空间导航性能改进已经在各种研究中进行了研究,其中一些表明虚拟现实耳机的显着改进,而另一些则表明没有显着差异。建筑师和建筑工程师也可以使用沉浸式设计工具来模拟虚拟现实CAD界面中的各种建筑元素,并通过这些环境将属性修改应用于建筑信息建模(BIM)文件。

在建筑施工阶段,沉浸环境用于改善现场准备,现场沟通和团队成员协作,安全和后勤。对于施工人员的培训,虚拟环境在技能转移方面表现出非常高的效能,研究表明,在实际环境下的培训效果相似。而且,虚拟平台也被用于建筑物运营阶段,与互联网互动和可视化数据物联网(IoT)设备可用于建筑物,过程改进以及资源管理。

乘员和最终用户的研究是通过身临其境的环境进行的。虚拟沉浸式平台通过为用户提供一种集成化的施工前实体模型和BIM模型,以及时和经济高效的方式评估建筑物模型中的替代设计选项,吸引未来居住者参与建筑设计过程。进行人体实验的研究表明,用户在沉浸式虚拟环境和基准物理环境中的日常办公活动(对象识别,阅读速度和理解)方面表现相似。在照明领域,虚拟现实耳机已被用于调查立面模式对模拟日光空间的感知印象和满意度的影响。此外,人工照明研究已经实施了沉浸式虚拟环境,以便在虚拟环境中控制盲人和人造光源的情况下评估模拟虚拟场景的终端用户照明偏好。

对于结构工程和分析,身临其境的环境使用户能够集中精力进行结构调查,而不必过分注意操作和导航仿真工具。虚拟和增强现实应用已经被设计用于壳体结构的有限元分析。使用手写笔和数据手套作为输入设备,用户可以创建,修改网格,并指定边界条件。对于简单的几何体,通过改变模型上的载荷可以获得实时的颜色编码结果。研究使用人工神经网络(ANN)或近似方法来实现复杂几何的实时交互,并通过触觉手套模拟其影响。在沉浸式虚拟环境中也实现了大型结构和桥梁模拟。用户可以移动作用在桥上的荷载,并使用近似模块立即更新有限元分析结果。

有害影响:
模拟病或模拟病是指一个人出现玩计算机/模拟/视频游戏(Oculus Rift正在努力解决模拟器疾病)所导致的类似运动病的症状。

由于虚拟现实导致的晕动症与由于电影引起的模拟疾病和晕动病非常相似。然而,在虚拟现实中,由于所有的外部参照点都被阻挡在视觉之外,所以效果更加明显,模拟的图像是三维的,并且在某些情况下还可能产生运动感的立体声。研究表明,在虚拟环境中暴露于旋转运动可能导致恶心和晕车症状的显着增加。

其他的行为变化,如压力,成瘾,隔离和情绪变化也被讨论为沉浸式虚拟现实造成的副作用。

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