虛擬現(xiàn)實組成及關鍵技術淺析

胡章榮 西華師范大學教育信息技術中心

1 虛擬現(xiàn)實概念

VR技術，又稱虛擬實境或靈境技術，它以計算機技術為主，融合多種技術來產(chǎn)生的逼真的虛擬世界，并通過傳感器、虛擬仿真、伺候服務、3D顯示、多媒體等多種復雜技術來營造視覺、觸覺、嗅覺等多種感官體驗，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)實的組成

典型的 VR 系統(tǒng)主要由計算機、應用軟件系統(tǒng)、輸入輸出設備、用戶和數(shù)據(jù)庫等組成。

計算機是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)實系統(tǒng)的復雜性，在建模和實時交互中需要進行大量的計算，因此生成VR的計算必須具有較高的配置。輸入輸出設備是信息交互的接口，在VR中采用特殊設備將用戶的交互信息輸入系統(tǒng)，并實時做出響應。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備既能感知運動物體的位置及旋轉(zhuǎn)方向的變化，也能檢測到自己在環(huán)境中的位置，從而計算物體大小、形狀、位置等各個參數(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，每種模型都是對物體不同側(cè)面的仿真。軟件系統(tǒng)除了對物體模型的建立外，還要將聲音進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)信息存儲到數(shù)據(jù)庫。

3 擬現(xiàn)實關鍵技術

虛擬現(xiàn)實的目的是用計算機創(chuàng)建虛擬空間，用戶能與之進行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等全方位交互。要實現(xiàn)這種目的，除了需要有一些特殊的硬件設備，還必須通過其他相關技術及軟件加以保證。如要隨視角移動實時顯示變化場景的3D圖像，僅靠設備是遠遠不夠的，還應有相應的壓縮算法等技術相支持，由此可見，要實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的功能，不僅需要強大的硬件系統(tǒng)，對相關的軟件和技術也提出了較高的要求。

3.1 環(huán)境建模技術

虛擬環(huán)境是虛擬現(xiàn)實的核心，只有對真實環(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)學模型不一樣，虛擬環(huán)境中的模型是對真實環(huán)境中事物的反映，具有多樣性、可操作性和個體行為性等特點，能實時與用戶進行交互并作出及時響應。目前，虛擬環(huán)境的建模技術主要是三維視覺建模和三維聽覺建模，三維視覺建模是應用最廣泛的建模技術，它可以分為幾何建模、物理建模、行為建模等。幾何建模技術用幾何的方法來對研究對象進行表示和處理，主要是對物體圖像結構的描述和對應模型數(shù)據(jù)結構的構造。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)建某個對象的幾何圖形。物理建模技術主要是為了研究對象的物理屬性，常用的有分形技術和粒子系統(tǒng)技術。上述這兩種建模技術相結合讓構建的虛擬模型看起來真實，動起來真實，但要使虛擬環(huán)境更真實，還必須結合行為建模技術，行為建模技術是對對象物理運動和行為特征的描述。一個對象如果沒有行為特征，那么它只是一個靜態(tài)的模型，沒有任何生命力，對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。行為建模技術主要分為運動學仿真技術和動力學仿真技術。

3.2 實時三維圖形繪制技術

實時三維圖形繪制技術指利用計算機為用戶提供一個能從任意視點及方向?qū)崟r觀察三維場景的手段，它要求當用戶的視點改變時，圖形顯示速度也必須跟上視點的改變速度，否則就會產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象。要在VR中獲得真實的沉浸感，就必須在用戶的立體眼鏡或HMD的左右眼顯示器上獲取場景畫面的三維立體像，形成立體視覺；同時，隨著場景中對象的移動或用戶位置信息的變化及時顯示不同的視覺畫面。通常在一個VR環(huán)境中，需要對成千上萬個場景進行實時繪制和顯示，因此必須采用高性能計算機及設計好的數(shù)據(jù)組織方式才能確保場景的實時更新要求。實時三維圖形繪制技術主要分為基于幾何圖形的實時繪制技術（包括預測計算、脫機計算、場景分塊、可見消隱、細節(jié)層次技術等）和基于圖像的實時繪制技術。

3.3 三維虛擬聲音的顯示技術

三維虛擬聲音系統(tǒng)是指聲音來自于一個球形空間，人耳通過聲音便能識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、實時三維追蹤、增強沉浸感等特征，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確位置，從而增強了用戶在虛擬世界中的沉浸感和交互性，同時也可以減少視覺壓力，增強大腦的感應強度，讓用戶更具有真實交互感。當前，三維虛擬聲音的顯示技術的研究主要集中在人類的聽覺模型與頭相關轉(zhuǎn)移函數(shù)及語音識別與合成技術兩個方面。

3.4 人機交互與傳感技術

虛擬現(xiàn)實之所以能讓人獲得身臨其境的感受是因為在虛擬環(huán)境中用戶可以直接與虛擬環(huán)境中的對象進行自然交互，而感覺不到計算機的存在。在VR領域中較為常用的交互技術主要有手勢識別、面部表情的識別以及眼動跟蹤等。手勢識別主要借助于數(shù)據(jù)手套和空間定位裝置實時跟蹤定位手的動態(tài)，包括手的形狀、空間位置、移動方向、手指彎曲程度等手勢信息，并根據(jù)這些信息做出相應的反映，根據(jù)識別方式的不同可以分為基于數(shù)據(jù)手套的識別和基于視覺（圖像）的手語識別系統(tǒng)兩種。面部表情是表達人情緒的一種方式，人在與周圍環(huán)境進行交互時會表現(xiàn)出不同的面部表情，要讓參與者獲得真實感，就必須對人臉的各個部位，如耳朵、鼻子、眼睛等做出準確的定位和識別。根據(jù)對人臉知識的利用方式，人臉檢測可以分為基于特征的人臉檢測方法和基于圖像的人臉檢測方法，第一類方法一般通過模式識別的方式來對人臉膚色、人臉的幾何結構、人臉大小等特征進行模式識別；第二類方法將人臉檢測問題看做一般的模式識別問題，直接將待檢測圖像輸入系統(tǒng)，并通算法進行訓練，然后對輸入的圖像分為人臉和非人臉兩類，檢測人臉時將可能的人臉區(qū)域于兩類數(shù)據(jù)做比較，就可以知道檢測區(qū)域是不是為人臉。

總結：文章首先介紹了虛擬現(xiàn)實技術的概念，分析了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成及系統(tǒng)中各部件的功能，然后對虛擬現(xiàn)實的關鍵技術及與技術相關的虛擬系統(tǒng)硬件設備進行了介紹。