虛擬現實環境中的交互技術與案例研究

楊海茹　王曉彤

摘要：本研究闡述額虛擬現實交互技術概念，詳細分析了運動捕捉技術、體感技術、三維交互技術的技術特征、分類，并結合案例進行應用分析。

關鍵詞：虛擬現實；交互技術；案例

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0038-02

伴隨著數字信息時代的到來，虛擬現實技術在各個領域有了很大的進展，也改變著人們的交互方式。這種集計算機三維圖形技術、交互技術、模擬技術等技術的虛擬現實技術旨在創造虛擬仿真環境，使用戶猶如進入到真實的環境中進行活動和互動，從而形成更好的互動與交流。虛擬現實環境中的具體交互技術都有哪些，特征功能及如何應用，本文對此問題進行了研究。

1 國內外虛擬現實交互技術界定

虛擬現實交互技術，通常是指用傳感手套和頭盔顯示器等一些佩戴交互設備與計算機處理技術相結合形成的一種計算機軟硬件環境[1]。汪成為（1996）認為虛擬現實交互技術不僅僅代表那些交互設備所涉及的交互技術，還包括一系列虛擬環境模擬和體驗的技術和方法。筆者認為，虛擬現實交互技術是一種利用圖形學、成像技術等多種技術，利用各種交互設備，集合計算機系統，形成一系列與真實環境相似的情景體驗的方法和技術。它能使體驗者佩戴某種設備，就可以進入預先設置好的虛擬環境中，并可以與這個虛擬環境進行多種形式的互動與交流。

2 虛擬現實交互技術分析

2.1 運動捕捉交互技術

運動捕捉交互技術，簡稱動捕。它是通過捕捉和記錄真實事物的動作后，將這些動作通過電腦融入到虛擬角色中，使虛擬角色與真實事物的動作相互聯系在一起，以形成更真實，流暢的視覺體驗。通常我們日常生活中常見的動作捕捉交互技術的應用是在電影中如變形金剛里的大黃蜂等角色，都是通過演員的演繹加之以動作捕捉技術才能將虛擬人物刻畫的栩栩如生和深入人心，帶給觀看者更加豐富的視覺感受。技術分類包含以下幾種：（1）機械式運動捕捉，在運動物體的可轉動的關節處裝上角度傳感器，依靠這種機械裝置來跟蹤和測量物體的運動軌跡。通常用于靜態造型的捕捉，且成本較低，但唯一不足的是不適用于動作復雜且連續的運動狀態跟蹤。（2）聲學式運動捕捉，通過發射超聲波，來探測運動物體的距離，從而完成對動作的定位和記錄。但由于聲音的傳遞受環境的影響較大，所以測量往往存在較大的誤差，這種方法往往不被采用。（3）電磁式運動捕捉，在根據一定規則分布的電磁場中，放置在表演者上的接收傳感器被定位，然后通過電纜傳輸到處理單元以定位傳感器的特定位置。缺點也是，磁場容易受到金屬等物品的干擾，從而影響測量精度。（4）光學式運動捕捉，在運動物體關鍵部位貼上發光發亮的標記，然后通過照相機等視覺系統，按先后順序記錄和還原這些亮點的運動軌跡，完成物體運動的記錄和捕捉。這種運動捕捉方式的測量精確，所以投入使用時花費的成本比較昂貴[2]。

案例：世優科技虛擬動畫制作公司為例，介紹一下動作捕捉技術是如何實現教育實時動畫生成的。整個產品體系的核心技術是基于動作捕捉的實時和快速動畫技術，它是通過佩戴穿戴式的捕捉設備，與模型進行點對點的對應和聯系，以實現動作同步生成，從而實現通過實時的動作捕捉產生可以直播的最終實時動畫。實現這套技術主要涵蓋動作捕捉、動畫修正、渲染/環境三個板塊。此動作捕捉虛擬交互技術還滲透在“虛擬工場”、“快速動畫工場”、“魔云工場”等多種產品的技術的開發與應用中。運動捕捉技術在教育動畫的開發和應用，極大的降低了動畫制作的勞動力，給教育領域創造了很好的教學資源和教學環境。

2.2 體感交互技術

體感交互技術是人機交互史上的一次革命，它利用自然語言（如身體動作和聲音）操縱多媒體設備，為人類提供創新體驗。如果把虛擬環境看作一個計算機系統，通過體感交互可以把人體變成一個鼠標，通過感知人體的各種感官變化對這個虛擬環境進行控制。體感交互技術的實現通常要經歷三個步驟：第一步，深度測量，通過深度攝像頭定位人物和背景；第二步，前景分割，通過辨識人體和背景，把兩者分離開，只定位人體骨架，并對人體骨架的關鍵節點進行識別；第三步，通過之前的人體骨架定位，對人體的走，跑，跳等基本動作可以進行簡單的應答和識別。目前，體感交互在技術上已經基本走向成熟。根據傳感方法與原理的區別，可以分為慣性傳感，光學傳感，慣性傳感和光學組合傳感三類。慣性傳感主要通過磁傳感器感知經驗人體運動的物理參數，然后根據該測量值獲得用戶的空間運動。光學傳感主要是通過光學傳感器獲取人體圖像，最后通過計算來確定人體動作。綜合感測是慣性和光學傳感器的組合來推斷運動，它可以簡單地看作是上述兩種傳感方法的集合[3]。

案例：曼恒數字技術有限公司為解決虛擬現實環境中運動捕捉交互技術在實踐時可能出現的很多不穩定因素，自主開發和研究了國內首個體感交互的虛擬現實技術設備和平臺。該公司是將一種體感交互設備Kinect與其獨立自主開發研制的虛擬現實平臺進行了合并與聯合，開發了一款具有獨立產權的DVS 3D產品。該產品可以擺脫傳統的鼠標鍵盤和復雜的動作捕捉等佩戴設備的范圍有限帶來的束縛，而通過手勢動作就可以自如的完成交互操作和活動。

2.3 三維交互技術

三維交互技術是指在虛擬環境中創建對象的三維模型，然后通過交互設計軟件設置交互程序，以便用戶可以通過鼠標等交互設備實現人機交互新興技術，使用鼠標來控制觀察的方向可以是左或右，并且可以接近或遠離。它主要借助三維立體的動態模型，來全方位多層次細致的呈現物體的各個部位的結構和功能，使物體更加利于觀察和操作。三維成像技術的特點主要是利用人體自身特殊的視覺機理，而呈現出的一種立體鏡效果。它以其獨特的優勢，正在引領可視化技術像一個嶄新的方向發展，在軍事，醫療，教育，商業，文化傳播等領域都有廣泛的應用，開發潛力無窮[4]。

案例：“中視典數字科技”自主開發和研究的虛擬仿真實驗室平臺為例進行具體分析，它是利用虛擬三維交互技術、多媒體技術和多種互動硬件進行融合設置，以最終實現對教學實驗過程的各個操作步驟的模擬現實呈現。虛擬實驗室主要是針對日常教學中某些危險性系數較大，或者實驗室條件很難滿足實驗需求的情況下開展的一種教學形式和教學方法。它的途徑主要分三個步驟：第一步，構建三維立體的客觀事物，將所需要的器材和物品打造成直觀的三維形象，便于接下來得操作和處理：第二步，將這些三維立體形象搭建成所需要的教學目標環境：第三步，在場景中設計具體的交互，引導學生在進入場景后可以依據提示一步步的完成虛擬實驗。這種虛擬實驗室的低成本，可利用度高，而且場景還原逼真，學生的參與性和動手操作性也很強，所以被許多學校應用于日常的教學中，十分有利于激發學生的探究能力和動手能力。

3 結語

虛擬世界中的交互技術，實質是構建了一個可以人為控制的“自由”交互的虛擬世界。虛擬交互技術主要是通過佩戴虛擬現實交互設備，來實現人體自身的多種感官感受的真實接觸和互動。目前虛擬現實技術還只停留在一個開發的初期，各方面的探索和應用還不是特別穩定和完善，本文希望對于開發新的人機交互方式提供了新思路。

參考文獻

[1]張際平.多媒體與網絡技術的學習應用[M].上海教育出版社，2007.

[2]胡茂曉.慣性動作捕捉前端設備與數據傳輸研究[D].山東大學，2015.

[3]龐小月，郭睿楨， 姚乃埌，等.體感交互人因學研究回顧與展望[J].應用心理學，2014，20（3）：243-251.

[4]員巍.三維虛擬交互技術在水墨動畫中的應用與研究[D].東華大學，2014.