虛擬現(xiàn)實(shí)組成及關(guān)鍵技術(shù)淺析

胡章榮 西華師范大學(xué)教育信息技術(shù)中心

1 虛擬現(xiàn)實(shí)概念

VR技術(shù)，又稱虛擬實(shí)境或靈境技術(shù)，它以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主，融合多種技術(shù)來產(chǎn)生的逼真的虛擬世界，并通過傳感器、虛擬仿真、伺候服務(wù)、3D顯示、多媒體等多種復(fù)雜技術(shù)來營造視覺、觸覺、嗅覺等多種感官體驗(yàn)，使處于虛擬世界中的人產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)的組成

典型的 VR 系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入輸出設(shè)備、用戶和數(shù)據(jù)庫等組成。

計(jì)算機(jī)是VR系統(tǒng)的心臟，主要用于虛擬環(huán)境的生成和與用戶的交互，由虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜性，在建模和實(shí)時(shí)交互中需要進(jìn)行大量的計(jì)算，因此生成VR的計(jì)算必須具有較高的配置。輸入輸出設(shè)備是信息交互的接口，在VR中采用特殊設(shè)備將用戶的交互信息輸入系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)做出響應(yīng)。常用的方式是數(shù)據(jù)手套和頭盔式顯示器，頭盔式顯示器中的空間位置跟蹤定位設(shè)備既能感知運(yùn)動(dòng)物體的位置及旋轉(zhuǎn)方向的變化，也能檢測(cè)到自己在環(huán)境中的位置，從而計(jì)算物體大小、形狀、位置等各個(gè)參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)建立物體模型。在VR系統(tǒng)中，物體的模型包括幾何模型、物理模型、行為模型三種，每種模型都是對(duì)物體不同側(cè)面的仿真。軟件系統(tǒng)除了對(duì)物體模型的建立外，還要將聲音進(jìn)行渲染生成三維立體聲，并將環(huán)境中的各種軟件和模型的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫。

3 擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)的目的是用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建虛擬空間，用戶能與之進(jìn)行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等全方位交互。要實(shí)現(xiàn)這種目的，除了需要有一些特殊的硬件設(shè)備，還必須通過其他相關(guān)技術(shù)及軟件加以保證。如要隨視角移動(dòng)實(shí)時(shí)顯示變化場(chǎng)景的3D圖像，僅靠設(shè)備是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還應(yīng)有相應(yīng)的壓縮算法等技術(shù)相支持，由此可見，要實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的功能，不僅需要強(qiáng)大的硬件系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)的軟件和技術(shù)也提出了較高的要求。

3.1 環(huán)境建模技術(shù)

虛擬環(huán)境是虛擬現(xiàn)實(shí)的核心，只有對(duì)真實(shí)環(huán)境中的物體建立逼真的模型，才能保證VR的可信度。建模的主要目的是獲取真實(shí)物體的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要將三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成虛擬環(huán)境中的模型。與數(shù)學(xué)模型不一樣，虛擬環(huán)境中的模型是對(duì)真實(shí)環(huán)境中事物的反映，具有多樣性、可操作性和個(gè)體行為性等特點(diǎn)，能實(shí)時(shí)與用戶進(jìn)行交互并作出及時(shí)響應(yīng)。目前，虛擬環(huán)境的建模技術(shù)主要是三維視覺建模和三維聽覺建模，三維視覺建模是應(yīng)用最廣泛的建模技術(shù)，它可以分為幾何建模、物理建模、行為建模等。幾何建模技術(shù)用幾何的方法來對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行表示和處理，主要是對(duì)物體圖像結(jié)構(gòu)的描述和對(duì)應(yīng)模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。常用的幾何建模工具除了VR特有的OpenGL、Java3D、VRML等外還有AutoCAD、3DSMAX、Softimage、Pro／E等，用戶可交式地創(chuàng)建某個(gè)對(duì)象的幾何圖形。物理建模技術(shù)主要是為了研究對(duì)象的物理屬性，常用的有分形技術(shù)和粒子系統(tǒng)技術(shù)。上述這兩種建模技術(shù)相結(jié)合讓構(gòu)建的虛擬模型看起來真實(shí)，動(dòng)起來真實(shí)，但要使虛擬環(huán)境更真實(shí)，還必須結(jié)合行為建模技術(shù)，行為建模技術(shù)是對(duì)對(duì)象物理運(yùn)動(dòng)和行為特征的描述。一個(gè)對(duì)象如果沒有行為特征，那么它只是一個(gè)靜態(tài)的模型，沒有任何生命力，對(duì)VR沒有任何意義，也就是說模型不僅要有形狀、大小、顏色等靜態(tài)屬性外，還必須具備動(dòng)態(tài)屬性，能隨著周圍環(huán)境變化或人的操縱行為而發(fā)生符合其本質(zhì)屬性的變化。行為建模技術(shù)主要分為運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真技術(shù)和動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)。

3.2 實(shí)時(shí)三維圖形繪制技術(shù)

實(shí)時(shí)三維圖形繪制技術(shù)指利用計(jì)算機(jī)為用戶提供一個(gè)能從任意視點(diǎn)及方向?qū)崟r(shí)觀察三維場(chǎng)景的手段，它要求當(dāng)用戶的視點(diǎn)改變時(shí)，圖形顯示速度也必須跟上視點(diǎn)的改變速度，否則就會(huì)產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象。要在VR中獲得真實(shí)的沉浸感，就必須在用戶的立體眼鏡或HMD的左右眼顯示器上獲取場(chǎng)景畫面的三維立體像，形成立體視覺；同時(shí)，隨著場(chǎng)景中對(duì)象的移動(dòng)或用戶位置信息的變化及時(shí)顯示不同的視覺畫面。通常在一個(gè)VR環(huán)境中，需要對(duì)成千上萬個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制和顯示，因此必須采用高性能計(jì)算機(jī)及設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)組織方式才能確保場(chǎng)景的實(shí)時(shí)更新要求。實(shí)時(shí)三維圖形繪制技術(shù)主要分為基于幾何圖形的實(shí)時(shí)繪制技術(shù)（包括預(yù)測(cè)計(jì)算、脫機(jī)計(jì)算、場(chǎng)景分塊、可見消隱、細(xì)節(jié)層次技術(shù)等）和基于圖像的實(shí)時(shí)繪制技術(shù)。

3.3 三維虛擬聲音的顯示技術(shù)

三維虛擬聲音系統(tǒng)是指聲音來自于一個(gè)球形空間，人耳通過聲音便能識(shí)別聲音來源的具體位置、聲音的距離等。三維虛擬聲音顯示具有全向三維定位、實(shí)時(shí)三維追蹤、增強(qiáng)沉浸感等特征，能讓處在虛擬環(huán)境中的用戶感覺聲音來自于雙耳周圍的球形空間，并襯托視覺效果判斷出聲源的準(zhǔn)確位置，從而增強(qiáng)了用戶在虛擬世界中的沉浸感和交互性，同時(shí)也可以減少視覺壓力，增強(qiáng)大腦的感應(yīng)強(qiáng)度，讓用戶更具有真實(shí)交互感。當(dāng)前，三維虛擬聲音的顯示技術(shù)的研究主要集中在人類的聽覺模型與頭相關(guān)轉(zhuǎn)移函數(shù)及語音識(shí)別與合成技術(shù)兩個(gè)方面。

3.4 人機(jī)交互與傳感技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)之所以能讓人獲得身臨其境的感受是因?yàn)樵谔摂M環(huán)境中用戶可以直接與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行自然交互，而感覺不到計(jì)算機(jī)的存在。在VR領(lǐng)域中較為常用的交互技術(shù)主要有手勢(shì)識(shí)別、面部表情的識(shí)別以及眼動(dòng)跟蹤等。手勢(shì)識(shí)別主要借助于數(shù)據(jù)手套和空間定位裝置實(shí)時(shí)跟蹤定位手的動(dòng)態(tài)，包括手的形狀、空間位置、移動(dòng)方向、手指彎曲程度等手勢(shì)信息，并根據(jù)這些信息做出相應(yīng)的反映，根據(jù)識(shí)別方式的不同可以分為基于數(shù)據(jù)手套的識(shí)別和基于視覺（圖像）的手語識(shí)別系統(tǒng)兩種。面部表情是表達(dá)人情緒的一種方式，人在與周圍環(huán)境進(jìn)行交互時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不同的面部表情，要讓參與者獲得真實(shí)感，就必須對(duì)人臉的各個(gè)部位，如耳朵、鼻子、眼睛等做出準(zhǔn)確的定位和識(shí)別。根據(jù)對(duì)人臉知識(shí)的利用方式，人臉檢測(cè)可以分為基于特征的人臉檢測(cè)方法和基于圖像的人臉檢測(cè)方法，第一類方法一般通過模式識(shí)別的方式來對(duì)人臉膚色、人臉的幾何結(jié)構(gòu)、人臉大小等特征進(jìn)行模式識(shí)別；第二類方法將人臉檢測(cè)問題看做一般的模式識(shí)別問題，直接將待檢測(cè)圖像輸入系統(tǒng)，并通算法進(jìn)行訓(xùn)練，然后對(duì)輸入的圖像分為人臉和非人臉兩類，檢測(cè)人臉時(shí)將可能的人臉區(qū)域于兩類數(shù)據(jù)做比較，就可以知道檢測(cè)區(qū)域是不是為人臉。

總結(jié)：文章首先介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念，分析了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成及系統(tǒng)中各部件的功能，然后對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)及與技術(shù)相關(guān)的虛擬系統(tǒng)硬件設(shè)備進(jìn)行了介紹。