虛擬現實技術淺析

2017-09-07 04:30:12武瑞峰

中國新技術新產品 2017年19期

武瑞峰

摘要：虛擬現實就是由計算機生成逼真的虛擬環境，使用者借助先進的接口設備，模擬人類的感知系統感知虛擬環境中的事物，并作出相應反應和動作實現交互，目前主要的交互方式主要有視覺、觸覺、聽覺，嗅覺、味覺、方向感等尚在研究中。

關鍵詞：虛擬現實；接口設備；沉浸感；創造性；交互性

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

0.引言

虛擬現實（Virtual Reality）是1989年由美國Jaron.Lanier 發明的，是指在電腦中人工構造一個三維的虛擬環境，用戶借助一些接口設備“進入”到虛擬環境中去，通過視覺、聽覺、觸覺等感官以自然的方式及時、充分地觀察、感知并干預三維空間內的事物、環境，從而產生如同置身于相應的真實環境中的沉浸感，其實質是高度逼真地模擬人在現實生活中視覺、聽覺、動作等行為的交互技術。

1.虛擬現實技術

虛擬現實技術是許多相關學科領域交叉、集成的產物。主要涉及的領域有計算機圖形技術、計算機仿真技術、人機接口技術、多媒體技術、傳感器技術等。它的研究內容主要包括以下幾個方面：如圖1所示，借助高科技手段在計算機中建立接近真實的或人主觀構造的虛擬的環境；用戶借助接口工具或設備以自然的方式感知和干預虛擬環境中的事物。與傳統的交互方式相比，其顯著的特點是采用語音識別和動作識別技術，使用戶可以感知虛擬的環境并干預環境。

圖1虛擬現實系統的組成

虛擬現實技術分為桌面式虛擬現實、分布式虛擬現實、沉浸式虛擬現實和增強式虛擬現實，桌面式虛擬現實是最易實現、應用最廣泛的系統。分布式虛擬現實是多個用戶通過計算機網絡連接在同一個虛擬世界，共同觀察和操作，其應用前景廣泛。增強式虛擬現實的典型特點是使真實世界與虛擬世界疊加以實現更強的體驗效果。沉浸式虛擬現實可以提供更強的沉浸感。

2.虛擬現實系統

如圖2所示，一個典型的虛擬現實系統由高性能的計算機系統；空間數據采集系統、人體數據捕捉系統；輸入設備、輸出設備構成。輸入輸出設備同屬于三維交互設備，設計和制造出性能優越的三維交互設備是虛擬現實技術的關鍵。

2.2虛擬系統制作流程

要實現虛擬現實，首先要盡可能詳細、接近真實地表達出虛擬現實場景的幾何信息。這就需要詳盡的建模。目前常用的建模方法有：多邊形（三角形）網格表示方法、結構立體幾何表示方法、體數據表示方法（volume-based method）及細節層次和紋理映射的方法。這些方法常結合使用。當用存儲數據方法來構建逼真的三維模型較為復雜且數據特別龐大的幾何數據時，常采用的紋理映射的方法。建模之前要進行數據準備及處理：通過空間數據采集系統、人體數據捕捉系統為虛擬環境建立數據支持（來自現實世界中的圖形、圖像、照片、及相關數據），把采集到的數據和照片進行處理后進行環境建模。

虛擬現實項目的開發流程為：利用3DS MAX等三維建模軟件進行三維建模，展UV，導入PHOTOSHOP 中對三維立體模型進行紋理貼圖和渲染。最后在VR的引擎完成交互制作。其制作流程如圖3所示。

3.虛擬現實中關鍵技術

為了實現虛擬顯示的沉浸特性，系統必須具備人體的感官特性，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等。目前，虛擬仿真技術主要是視覺，聽覺和觸覺有所發展仍不夠真實，嗅覺和味覺尚在研究中。

3.1視覺生成技術及立體顯示技術

據統計，人類對客觀世界的感知信息75%～80%來自視覺，主要視覺生成設備為頭盔顯示器（Head Mounted Display， HMD）眼鏡式顯示器、雙目全方位顯示器（BOOM）等。

視覺生成基本原理為光線跟蹤的方法。即通過求出不同視點的光亮度，來生成完整的具有真實感的場景。因此，在構造虛擬環境的過程中，首先要根據設計要求用三維建模軟件建立所需要的三維場景。再通過透視變換將三維場景轉換成二維的視圖。第三步是確定視圖中的可見面并利用隱藏面消除算法將視域之外的或被其他物體遮擋的不可見面消去。最后按照光學物理中光照模型計算可見面投射到觀察者眼中的光亮度和色彩，從而確定投影畫面上每一個象素的顏色，最終生成所設計的虛擬現實的視景，在視景制作中，最常用的的是紋理映射技術（texture mapping），就是利用三維建模軟件（3DSMAX和Maya等）建立簡單的幾何模型，再在軟件中（PHOTOSHOP）貼上對應的逼真圖片即可。

如圖4所示，目前的立體顯示技術基本上是基于雙目視差原理實現的。兩眼空間位置的不同，是產生立體視覺的主要原因。在虛擬環境中，由兩個虛擬觀察點分別透視投影，得到有雙目視差的兩個圖像。從而為體驗者提供有雙目視差的圖像實現立體顯示，但目前還沒有實現人類的深度感。

圖4立體顯示原理

3.2聲音生成技術

虛擬技術中的人-機-環境交互中需要生成逼真的三維聲音信息。主要方法是建立音源的數據庫、聲音的環境特性數據庫和方位脈沖響應數據庫（HRTF Map）。然后通過三維聲音的實時處理合成：音源的生成、聲音與虛擬環境脈沖響應的卷積處理、聲音與人耳濾波器的實時卷積、聲音的各分量疊加得到三維的虛擬聲音信號，經 D/A 變換后送耳機輸出以實現三維的聲音信息。聽覺通道需解決的是為人的聽覺系統提供感覺置身于立體的聲場之中的、能識別聲音的類型和強度并能判定聲源的位置的接口。其技術難題在于合成由接口提供的虛擬聲音信號并使聲音在虛擬空間定位及發聲設備的問題，目前主要采用立體音響和語音識別。

3.3 觸覺與力覺生成技術

觸覺通道的作用是當人體在虛擬空間中運動時，如果接觸到虛擬物體，虛擬顯示系統應該給人提供這種觸覺和力覺。現有的VR系統中，已經考慮了觸覺和力覺顯示。但是目前的技術還不能完全模擬真實的觸覺，只能用振動來模擬觸覺部分效果。常見的力學反饋裝置為數據手套。

3.4身體位置跟蹤

目前主要有位置跟蹤技術主要有磁力追蹤、聲學追蹤、慣性追蹤。磁力追蹤通過衡量不同方向上磁場的強弱來實現。人位置跟蹤和映射常用的技術包括：機械鏈接、磁傳感器、聲傳感器、光傳感器等。

結語

虛擬現實最終需實現的目標是虛實的一致性問題，即我們能從虛擬環境中獲得和真實情境中同樣的感受，即獲得沉浸感和舒適度。為了實現虛擬顯示的沉浸特性，虛擬系統必須具備人體的感官特性，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等，目前，虛擬現實。目前虛擬現實進入了高速發展的時期，但依然存在以下問題：

由于接口設備需通過線纜連接到計算設備上而限制使用者的活動范圍；

設備笨重，容易產生疲勞和暈眩感；

還沒有模擬味覺、嗅覺的虛擬設備。

參考文獻

[1]史鐵君.虛擬現實在教育中的應用[D].東北師范大學，2008.

[2]祝奎臣.基于Multigen的船舶機艙虛擬漫游技術研究[D].上海海事大學，2006.