虛擬現實技術沉浸感提升的研究

摘 要：虛擬現實技術是隨著科學和技術的進步而興起的多科學支撐的新理論技術，綜合集成技術，設計計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域。通過輸入和輸出設備激發體驗者聽覺、視覺、觸覺等多方感官體驗，從而達到身臨其境的感受。虛擬現實技術在工業、教育、醫學、航天，軍事、生活體驗領域均有應用。虛擬現實技術在軍事方面的應用，有助于解決資源問題、環境問題、以及需求多樣性問題。訓練的效果受到虛擬場景提供給訓練者的沉浸感、真實性的影響。因此提升VR虛擬場景的沉浸感和真實性就尤為重要。

關鍵詞：虛擬現實技術；軍事；沉浸感

一、VR行業概述

VR技術就是借助于計算機技術及硬件設備，實現一種人們可以通過視聽觸嗅等手段所感受到的虛擬幻境。VR是一項綜合集成技術，設計計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域。VR設備又被分為輸入和輸出兩大部分。輸入類的設備主要有控制手柄、手勢識別、動作捕捉等。輸出設備有外接式VR頭盔、一體式VR頭盔、智能手機VR眼鏡。多媒體技術及產品的發展在21世紀這個以信息技術為主要標準的高新技術產業比重不斷增加的信息化的社會迅猛的發展。虛擬現實技術是隨著科學和技術的進步而興起的多科學支撐的新理論技術。虛擬現實技術在軍事方面的應用，有助于解決資源問題、環境問題、以及需求多樣性問題。

二、VR行業在軍事方面的發展

虛擬技術的發展大致分為三個階段。20世紀50年代，VR準備階段。20世紀80年代，是VR系統化，進入實際應用階段，80年代末，進入迅猛發展的階段。美國是最早對虛擬進行技術研發的。大規模應用始于第二次世界大戰，美軍的飛行員感慨，執行任務過程中，見到的環境和在訓練時模擬器中見到的場景幾乎是一致的。美軍訓練的三維地形環境是綜合了航空圖片、衛星影像、數字高層地形數據生成的。通過這樣的高分辨率的作戰區域模擬訓練，減少了實戰時的傷亡數量，提高了作戰效率。

三、VR技術在軍事方面的應用

VR技術在軍事方面的主要應用有構建虛擬戰爭環境、進行單兵模擬訓練、通過網絡進行異地同環境作戰訓練、進行軍事指揮人員訓練、提高指揮決策能力。VR技術在軍事方面的應用除了可以對作戰人員進行訓練，還可以幫助武器研發人員縮短研制周期。利用分布交互是網絡提供各種虛擬環境，對武器設備的作戰技術性能及操作的合理性進行合理的評估，在一次次的檢驗中最終貼合實戰要求。

四、如何提高VR場景的真實性和沉浸感

訓練的效果受到虛擬場景提供給訓練者的沉浸感、真實性的影響。沉浸式的VR環境能夠營造生動、逼真、身臨其境的場景模擬，同真實的訓練場景一樣，也會給大腦直觀、真實的感受，大腦的本能會專注于虛擬的場景中，從而起到和真實訓練一樣的訓練效果。因此提升VR虛擬場景的沉浸感和真實性就尤為重要。

本次制作的海軍虛擬訓練系統，主要通過視覺、聽覺、觸覺提供給用戶真實感和交互手段，使海軍在虛擬的環境下獲得與環境的交互體驗，并可以在三維空間內沒有局限的觀察。

沉浸感和真實性的主要影響因素是模型的質量。影響模型質量的主要因素有UV接縫數量，材質的凹凸、反光度、高光。制作模型時要采用英文命名，UE4對中文命名會出現錯誤的識別。模型制作分為前期和后期，前期制作高模，后期拓撲成低模。高模的制作，需要顧及到模型中的每一處細節，可以暫時不考慮布線的數量。在高模的基礎上利用3ds max中石墨工具拓撲成低模。其次在拓撲成低模時也要注意對精度的把握。將這樣可以盡可能的降低場景的面數，提高后面交互運行的速度。

模型的uv，通常在3ds max自帶的展uv功能中制作uv，但是它相對比較費時間，而且展出的uv效果也不是很理想，貼圖也不好繪制。在本次的制作中用到一款專門用來制作展uv的軟件Unfold3d。它是一款快速、高效、事半功倍的高質量uv拆分軟件，相對于3ds max它操作界面更加直觀簡單易懂，而且擅長游戲角色模型的uv拆分。方法：在三維軟件中輸出obj格式或者fbx格式的文件。在選擇切割邊時，軟件可以自動延長需要切割的編輯線。Unfold3d是用模型的編輯線來進行分割的，在分割完之后就可以直接選擇自動展開。然后存儲導入3ds max中進行塌陷，準備烘培。

利用高低模烘焙，需要烘焙出法線貼圖、高光貼圖、AO貼圖。3ds max中自帶的烘焙功能，有一定的局限性。在3ds max中烘焙法線和高光貼圖都需要單一烘焙。且需要精準的設置封套，這就對一些不規則的模型具有一定的局限性，對高模面數有了一定要求的，面數越多烘焙的速度越慢，對機器的配置也有一定的要求。所以本次制作中用到一款專門用于烘焙法線貼圖的軟件xNormal。優點是不用顯示出模型，所以對模型面數沒有要求。在xNormal中，采用的是選擇性全面烘培。這一功能非常適合高精度的模型制作。

下面到了貼圖繪制階段。本次制作中用到的軟件是Substance Painter。Substance Painter是最新的次世代游戲貼圖繪制軟件。它具有特有的功能，比如很多粒子筆刷，隨機筆刷，也可以模擬自然下落。粒子的軌跡形成紋理也可以隨機設置。每個材質球都可以創建自定義的項目模板。還新添加了汽車車漆材質球、dota材質球、柔性材質球、還可以烘培貼圖、新的mask遮罩生成器等。Substance Painter是基于PBR渲染技術，在HDRI環境貼圖的照射下，光線非常逼真。而軟件自帶的材質也很逼真，顯示的效果非常好。Substance Painter可以烘焙出法線貼圖、世界空間的法線貼圖、ID貼圖、AO貼圖，CURVATURE（曲面）貼圖、位置貼圖、厚度貼圖。

五、總結

虛擬現實技術的應用前景是廣闊的，但仍然存在不足。針對沉浸感真實性這一方面而言，不僅要提高模型的質量，還要提升虛擬設備的顯示分辨率和互動體驗感。近些年來，隨著虛擬現實技術的快速發展和在各個領域的應用，也開始認識到虛擬現實技術在軍事方面應用的巨大優勢。我國也開始增大軍事領域虛擬現實技術的關注和投入。可以預見的是，虛擬現實技術在各個領域的發展將發揮更大優勢，提升制作效率，減少大量經費的投入，將會給設計行業帶來巨大影響。

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[3]虛擬現實技術[J]；航空計算技術；1994年01期

[4]申蔚.虛擬現實技術.清華大學出版社，2009.

作者簡介：

劉晶鈺（1996-），女，天津工業大學本科生，動畫專業。

*項目基金：2018年度大學生創新訓練計劃項目，項目編號：201810058147