虛擬現實技術及其水利應用研究

朱玉坤 沈林 李長松 馬曉兵

摘 要：本文對虛擬現實技術的定義、特點、原理及應用進行簡要介紹，并對關鍵技術進行描述，提出虛擬現實技術與GIS技術相結合展示防汛抗旱、水利工程信息的方案建議，以期為相關學者的研究提供參考。

關鍵詞：虛擬現實；建模；GIS；防汛

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）08-0076-02

Research on Virtual Reality Technology and Its

Application in Water Conservancy

ZHU Yukun SHEN Lin LI Changsong MA Xiaobing

（Information Center of the Yellow River Water Conservancy Commission，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： In this paper， the definition， characteristics， principles and applications of virtual reality technology were briefly introduced， and the key technologies are described. A combination of virtual reality technology and GIS technology is proposed to demonstrate flood control， drought relief and water conservancy information. It is hoped that the research in this paper can provide a reference for the research of relevant scholars.

Keywords： virtual reality；modeling；GIS；flood control

1 虛擬現實技術

1.1 虛擬現實技術的內涵

虛擬現實也叫虛擬實境（Virtual Reality），簡稱VR，也稱為靈境技術或人工環境，即使用電腦模擬產生一個三度空間的虛擬世界，為用戶提供視覺、聽覺和觸覺等感官上的模擬，讓用戶如同身臨其境，不受限制地觀察三度空間內的事物。同時，在用戶進行移動時，電腦可以進行復雜計算，將精確的三維世界視頻傳回VR設備，使用戶產生臨場感。該技術集成了計算機圖形、計算機仿真、人工智能、傳感、顯示及網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統[1]。

1.2 虛擬現實技術的特點

①虛擬現實具有沉浸性。計算機產生的三維場景可以使用戶如同身臨其境，就像在客觀世界中一樣，通過視覺、聽覺和觸覺體驗場景中的模型。

②虛擬現實具有交互性。在虛擬場景中，用戶可以通過VR頭盔、手套等傳感器進行交互，就像在客觀世界中操作一樣去觸摸、撞擊等。

③虛擬現實具有想象性。想象性是指使用者可以在虛擬場景中產生創造性思維。在虛擬場景中，用戶很容易提高對事物的認知，獲得新想法、新知識。

1.3 虛擬現實技術的原理

虛擬現實系統一般由計算機系統、空間數據采集系統、人體數據捕捉系統及輸入和輸出設備組成。虛擬場景的真實性是提高虛擬現實效果的關鍵，這就要求盡可能詳細地建模。目前，一般采用多邊形（三角形）網格表示、結構立體幾何表示、體數據表示及細節層次和紋理映射等方法進行建模。建模之前要準備實際圖像、照片等數據，并對其進行處理。

1.4 虛擬現實技術的應用

虛擬現實技術可以走群眾路線，深化在商業、教育、娛樂和虛擬社區中的應用。企業將其產品發布成網上三維的形式，多維度展示商品；教育業引入計算機輔助教學（CAI），在講解立體化的知識時，如原子、分子的結構、分子的結合過程、機械的運動，三維的展現形式使學生更容易接受和掌握。此外，VR在醫學方面可以建立虛擬的人體模型，讓學生利用跟蹤球、HMD和感覺手套等設備了解人體內部各器官結構；可在虛擬實驗室中進行“尸體”解剖和各種手術聯系。同時，虛擬現實還可以應用在更廣泛的領域，如室內設計，消防、電力、石油、礦產等方面的應急推演，文物古跡模擬展示，以及船舶制作、地理監測、軌道交通、橋梁建筑等方面。虛擬現實技術將在各行各業發揮巨大的作用。

2 虛擬現實基礎硬件及關鍵技術

2.1 基礎硬件

當前，VR設備大致可以分為兩類：一是需要借助外部硬件協助運算的，如Oculus Rift和HTC Vive，其需要連接一臺高性能電腦來運行；二是依賴設備內置硬件完成運算的，如PicoNeo VR一體機、大朋VR一體機，這些VR眼鏡的特點是無需其他設備協助，能完全獨立工作。

2.2 關鍵技術

2.2.1 頭部跟蹤技術。頭部跟蹤即頭戴VR設備時，眼前的景象會隨著上下左右轉動頭部而改變。通過6DSF（Six Degrees of Freedom）使頭部移動轉化成x，y，z三個維度，以精確測量頭部的前后左右移動的動作。

頭部跟蹤系統內有一系列不同的內部組件，包括陀螺儀、加速計和磁力計等。Sony的PSVR還在頭盔上用到了9顆LED燈，加上PS4上的攝像頭監視，可提供360°頭部跟蹤。Oculus雖然有20顆燈，但不如Sony的更有標識度。

實現頭部跟蹤技術的關鍵是要降低延遲。將延遲降低到50ms以下更有利于在移動時降低畫面的異步性。Oculus Rift可以將延遲降低到30ms。

2.2.2 動作跟蹤技術。谷歌推出的Cardboard是將智能手機變成一個虛擬現實的原型設備，但相對于Cardboard，頭部跟蹤依然是VR頭盔最大的優勢。但是，VR領域的動作跟蹤功能也不容忽視。因為用戶在使用VR頭盔的同時也希望看到自己的身體動作。

體感控制器制造公司Leap的產品Leap Motion，中文名為“厲動”，使用紅外線傳感器來跟蹤用戶的手部動作，可追蹤10根手指，精度高達1/100mm。其遠比現有的運動控制技術更為精確，只要揮動一根手指即可瀏覽網頁、閱讀文章、翻看照片和播放音樂，只需使用指尖便可進行繪畫、涂鴉和設計。但目前，常用的是來自Oculus、Valve和Sony的輸入設備。

Oculus Touch采用了類似手環的設計，允許攝像機對用戶的手部進行追蹤，傳感器也可以追蹤手指運動，同時為用戶帶來便利的抓握方式。比如，在射擊游戲中可以通過扣下扳機來射擊。在控制器上，還有一系列的傳感器陣列來識別點擊、揮手等動作。原理類似于Valve的Lighthouse定位跟蹤系統及HTC Vive的控制器原型：在房間里配置兩個基站，并將整個房間布滿激光，通過頭部和手上光電管傳感器相互碰撞的時間點來檢測頭部和手的位置。與Oculus Touch類似，Lighthouse也具備物理按鈕，在同一空間內用兩套Lighthouse系統還可以進行多用戶跟蹤。

其他輸入方式還包括從Xbox控制器上借鑒過來的控制器或者和計算機相連的控制桿、語音控制、智能手套及Virtuix Omni全向跑步機。

2.2.3 眼部跟蹤技術。眼球跟蹤技術是通過跟蹤瞳孔的運動來實現的，算法能根據用戶注視的景物來變換景深，從而帶來更出色的沉浸體驗。當用戶注視近景時，遠景就會變得模糊，當注視遠景時，近景就會變得模糊，這就是景深不同的體驗。眼球跟蹤技術可以辨別用戶注視的焦點場景，從而模擬景深的變化，提高用戶體驗。

3 虛擬現實技術在水利工程中的應用

3.1 防汛應用方案研究

基于GIS的虛擬現實技術有著非常廣闊的應用前景。CityEngine是將三維場景和其他3DGIS內容引入虛擬現實（VR）的工具，其可以通過手機和電腦兩種平臺創造VR體驗。應用CityEngine軟件將地形數據、正射影像和水情、雨情、工情等二維數據快速創建三維場景，通過Unity來支持HTC Vive等VR設備，經過GIS與VR的交互可逼真地展現河流兩岸的地貌和工程，用戶可通過VR頭盔、眼鏡等設備進行虛擬場景交互和導航。

為了提高性能，可以在Unity中啟用Single-Pass立體渲染。此外，CityEngine基于規則的性質可以為幾何形狀創建不同的細節級別，如將較少的細節添加到遠處的建筑物中。由于Unity的多平臺特性，很容易在多個平臺上部署VR體驗。例如，其與HTC Vive和Oculus Rift兼容，還可以為Windows全息照相機添加Microsoft Hololens支持。

3.2 防汛系統開發研究

基于CityEngine的防汛系統可通過后臺數據庫的數據展示防汛抗旱中的工情、水情、雨情信息，便于對各項工程進行查詢，周邊再輔以多種媒體信息，如工程背景介紹、標段概況、技術數據和截面等，從而實現演示場景中的導航、定位與背景信息介紹等諸多實用、便捷的功能，滿足數字河流由二維GIS向三維虛擬現實的可視化發展的需要。

系統可采用B/S架構，共分為三個層次。底層為數據層，包括空間數據（如二維底圖、三維模型等）及其對應的屬性數據，業務數據（如提防、險工、控導等工程）；中間層即應用層，包括GIS服務器（CityEngine服務器）及Web服務器的服務；客戶端即表現層，提供三維服務的在線顯示等。

參考文獻：

[1]章麗鴻，李琳.虛擬現實技術的發展和展望[J].中國科技期刊數據庫，2015（39）：239.