計算機虛擬現實關鍵技術及其應用研究

呂細巧

摘要：計算機虛擬現實技術可以實現虛擬場景、空間、人物等視覺以及聽覺、乃至于觸感方面的仿真、渲染。該文首先分析了計算機虛擬現實技術的內涵、特色以及發展現狀，其次分析了實現虛擬現實效果所依托的關鍵技術，再次分析了在關鍵技術的支持下計算機虛擬現實的具體應用方面，最后分析了計算機虛擬現實關鍵技術的發展趨勢及應用前景。

關鍵詞： 計算機虛擬現實關鍵技術應用

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract：Computer virtual reality technology can realize the simulation and rendering of visual， auditory and even tactile aspects of virtual scene， space and characters. This paper first analyzes the connotation， characteristics and development status of computer virtual reality technology， then analyzes the key technologies to realize the effect of virtual reality， again analyzes the specific application of computer virtual reality with the support of key technologies， and finally analyzes the development trend and application prospectof key technologies of computer virtual reality.

Key Words： Computer; Virtual reality; Key technologies; Application

計算機虛擬現實技術是依托于計算機信息技術、互聯網技術，并采用仿真技術、建模技術等架構創新出來的新型技術手段。計算機虛擬現實技術被簡稱為VR技術，這種技術在很多項目、行業中都有所應用。虛擬現實即一種虛擬環境，給人帶來仿真的感受，高水平的虛擬技術可以構建十分接近于現實的場景，有些情況下甚至難辨真假。計算機虛擬現實技術中，像建模、圖像生成、立體顯示、傳感器以及應用系統開發、系統集成等技術都是其關鍵技術，實現關鍵技術的應用及革新可促使計算機虛擬技術的不斷發展。

1 計算機虛擬現實技術概述

1.1計算機虛擬現實技術的內涵

計算機虛擬現實技術是指視覺體驗及感受方面的仿真技術，是一種能夠虛擬出逼真現實的計算機技術，其主要利用計算機軟件技術來構建一種虛擬的三維場景，用戶可以在計算機虛擬現實技術打造出的三維場景中獲得視覺上的真實感受，比如：獲得真實的空間感的體驗，雖然這種視覺感受上的真實性與現實環境存在較大的差距，但是已經能夠給人們帶來很多新奇的體驗，也可以解決很多現實生活中難以解決的問題[1-2]。有的虛擬現實技術可以直接裸眼觀看，但是有的則需要佩戴交互設備觀看，借助交互設備的話可以產生更強的視覺沉浸感，在身體感知方面也會增強。

1.2計算機虛擬現實技術的特色

在計算機多種技術的應用下，虛擬現實場景的真實性和體驗感也越來越強，其特色主要表現在交互性、沉浸性、智能性三大方面。首先，計算機虛擬現實技術的應用具有交互性，在交互功能的支持下，用戶可以與計算機所創造出來的虛擬現實之間進行互動，在虛擬場景中，用戶可以在可視化條件的支撐下利用操作柄、操作手套等進行一些虛擬的操作，而且可以實現語音輸入，在操作之后也可以獲得虛擬場景的響應，這樣就形成了交互的效果。其次，計算機虛擬現實技術所具有的沉浸性可以讓用戶在使用的過程中形成沉浸感，這是一種主觀感受，當用戶沉浸于虛擬現實中時，可能會忽略現實的時空，從而全身心地感受虛擬的時空場域。最后，計算機虛擬現實技術的智能性特點可以促使其做出智能化的響應，比如自動運算、智能回復、自動操作等[3]。

1.3計算機虛擬現實技術的發展現狀

就當前來看，計算機虛擬現實技術有了快速的發展，并且已經應用于很多行業中，解決了不少現實世界中難以解決的問題。但是虛擬現實技術的開發成本較高，與現實項目的轉換率較低，大多情況下，用戶還是能夠鮮明地感受到虛擬現實場景和真實場景之間的差異。可見，現在虛擬現實技術的發展仍然處于開發研究的初期階段。

2 計算機虛擬現實的關鍵技術

2.1動態環境建模技術

我們現實生活的場景是三維場景，那么想要虛擬現實所搭建的場景達到仿真的效果，必須利用三維立體設計軟件，主要應用其三維建模功能，如CAD軟件、MAYA 軟件等，這些三維軟件的綜合應用可以打造出三維立體化的場景模型。要想實現更具真實效果的建模，對于這些軟件的應用需要十分嫻熟，并應掌握自然場景的打造方式。但是僅僅建成靜態三維場景模型之后并不能讓用戶獲得逼真的體驗，必須要再應用動態環境建模技術來進行渲染加工，使得建模場景可以跟隨用戶的視角來移動、變化[4]。動態環境建模往往需要獲取到實際環境的三維數據，利用一些數據采集設備，將這些三維數據收集起來，并對應到場景模型中。經過對三維數據的分析建模和動態的仿真設計，才能夠形成相應的非接觸式的視覺仿真效果，打造出虛擬現實環境模型。

2.2三維圖像生成技術

計算機虛擬場景的建設還需對所設計開發的場景進行輸出，三維圖像的數據量很大，動態的場景數據量更大，三維圖像生成技術已經比較成熟，但是想要輸出龐大數據量還需要一定硬件設備的支撐。在建模完成之后，要保障相應的計算機虛擬場景能夠不失真、不降低質量，還能保障圖景的復雜程度。另外，在對虛擬現實場景的實際應用過程中，三維圖像需要實時生成和不斷更新，這時同樣需要三維圖像生成技術的支持，特別是在聯網的環境下，還受到網絡傳輸速度的影響。只有確保三維圖像生成速度高于每秒30幀才能夠讓圖景更為流暢，更加趨同于真實場景[5]。

2.3立體顯示技術

計算機虛擬場景中的關鍵技術還包括立體顯示技術。立體顯示技術與平面顯示技術不同，平面顯示只需要控制畫面二維方向的精度，比如：當前的電視機可以實現4K高清，但是這屬于技術的更新升級，立體現實技術的難度要高很多。立體顯示技術增加了一個顯示的維度，要想保持動態的高精度十分困難。首先，立體顯示必須要有相應的硬件支撐，形成三個維度的顯示輸出;其次，立體顯示需要能夠跟隨用戶的視角實現動態的顯示。

2.4傳感器技術

計算機虛擬場景中，傳感器技術的應用也十分關鍵。比如：在計算機三維場景建模的過程中需要應用傳感器技術來進行相應場景信息的收集，或者是一些動作的收集;在將虛擬現實場景呈現給用戶時，也需要傳感器技術的支持。相應的傳感器可以直接安裝在設備上，通過傳感器來收集用戶的動作信息、語音信息等，可以發送指令，并讓虛擬現實場景跟隨用戶視角或者要求來做出反應和變化。沒有傳感器技術的話，虛擬現實就缺乏了交互性，無法做到與用戶之間的互動。有些虛擬現實場景是具備交互功能的，這種虛擬現實場景就缺乏了深度的體驗性。

2.5應用系統開發技術

計算機虛擬現實關鍵技術還包括應用系統開發技術，即虛擬現實場景的開發技術，如虛擬現實系統開發平臺、分布式虛擬現實技術等?；谶@些應用系統開發技術才能夠開發出計算機虛擬現實場景。不同的場景對于系統開發工具和平臺的要求不同，越趨向于真實的虛擬場景越需要專業的系統開發技術。

2.6系統集成技術

計算機虛擬現實關鍵技術還包括系統集成技術，系統集成技術是將較多信息技術集成到一個模塊上，這樣可以提高計算機虛擬現實技術的應用效果[6]。比如：在建立虛擬現實系統時對數據信息技術的應用較多，包括信息的同步技術、數據的轉換技術、數據信息的識別技術以及合成技術等。

3 關鍵技術支持下計算機虛擬現實的具體應用

在相應關鍵技術的支持下，計算機虛擬現實的應用較為廣泛，就當前來看，主要應用于如下幾個行業或者領域中。

3.1在教育培訓行業中的應用

隨著在線教育的發展，計算機虛擬現實技術已經應用在教育培訓行業中，以豐富教育培訓的形式，為學習者提供更為多樣化的教育模式，也可以有效提高學習者的學習興趣和學校效果。有些教育培訓的項目內容采用虛擬現實技術的效果比較好，比如：一些實驗類、建造類的課程教學，利用虛擬現實技術可以為學習者呈現出仿真的場景，學習者可以在虛擬場景下開展實驗、模擬建設，獲取相應的數據。有些企業培訓中，也可以應用虛擬現實技術來增強培訓的效果，比如：為員工打造沉浸式的學習場景，可以增強相應項目內容的教學效率。虛擬現實技術在教育培訓行業中的應用也將越來越普遍和廣泛。

3.2在游戲及影視行業中的應用

計算機虛擬現實技術已經廣泛應用于游戲以及影視行業，而且這也是虛擬現實技術盈利率最高的行業。虛擬現實技術應用于游戲行業中，主要是建模3D游戲，如三維體感游戲、三維情境體驗式游戲。當前不少游戲開發出的VR穿戴設備，用戶可以在戴上眼罩、拿上游戲手柄，在家中就應用虛擬現實場景游戲來進行休閑娛樂。從當前的市場形勢來看，計算機虛擬技術在游戲開發中的應用前景較好，而且很多年輕人熱衷于體驗這種虛擬現實游戲，這也無形中促使了虛擬現實技術的發展。在影視行業中，虛擬現實技術的應用也愈加普遍。比如當前熱門的3D電影，這其中就需要應用到虛擬現實技術來搭建虛擬現實空間，從而可以在攝影棚中拍攝出各種各樣的場景，經過渲染制作，人物能夠與場景融為一體，可以給觀看者帶來沉浸式的體驗。

3.3考古研究和古跡復原領域的應用

計算機虛擬現實技術還應用于考古和古跡復原領域的應用中，比如：一些古建筑在歷史的風霜下失去了原來的風貌，或者是一些建筑已經消失，則現在已經在采用計算機虛擬現實技術來進行復原。通過虛擬現實技術的復原，可以開展進一步的研究，也可以讓更多的人看到古建筑的風貌，一些古跡復原工程中應用虛擬現實技術也達到了文物保護、文物研究和旅游宣傳一體化的作用。雖然當前虛擬現實技術在考古研究中的應用還比較少，但是其可以發揮出不可替代的歷史資料的作用，隨著計算機虛擬技術的不斷成熟、應用成本的降低，其在考古方面研究的應用也會更加普遍。

3.4在醫學、軍事、航空領域的應用

計算機虛擬現實技術在醫學、軍事以及航空等領域的應用也發揮出了很大的作用，可以幫助開展醫學研究、或者是模擬軍事演練場景，也可以模擬太空場景，為一些現實難以實現的操作提供沉浸式情境的設置。在醫學領域，計算機虛擬現實技術可以模擬手術操作場景，組織開展模擬手術的訓練;在軍事領域，也可以利用虛擬現實技術進行模擬訓練;在航空領域，一些應急處置操作的練習可以通過虛擬現實技術來幫助實現，通過開發相應的虛擬現實場景及系統，可以有效提高宇航員的應急處置能力。

4 計算機虛擬現實關鍵技術的發展趨勢及應用前景

計算機虛擬現實關鍵技術較多，而且一些關鍵技術的應用要求較高，相應技術都處于不斷的開發升級中，計算機虛擬現實關鍵技術的發展前景是十分光明的，關鍵則在于技術的成熟和成本的降低，讓計算機虛擬現實技術也可以進一步應用到各行各業中。未來，計算機虛擬現實關鍵技術將進一步提高智能化、集成性、模塊化，從而更高效地推動虛擬現實場景的搭建。而且，新一代的信息技術人才的成長可以促使計算機虛擬關鍵技術得以進一步發展革新。在未來技術成熟之后，虛擬現實場景的制作成本也能夠下降，虛擬現實技術的應用能夠更加廣泛。除了在現有應用領域進一步拓展之外，還可以應用到一些新的行業領域中，比如購物、旅游、制造等領域。像汽車制造和營銷過程中，可以采用虛擬現實技術來“造車”，并在用戶市場進行檢驗，用戶可以在虛擬現實場景中體驗用車，最終為車企提供意見反饋，車企再改進產品，由此，可以使得產品更加適應市場需求[7]。

5 結語

綜上所述，計算機虛擬現實場景的搭建以及交互性的實現需要較多技術的支撐，重點包括動態環境建模技術、三維圖像生成技術、立體顯示技術、傳感器技術、應用系統開發技術、系統集成技術，這些關鍵技術缺一不可。當前，在這些關鍵技術的支撐下，計算機虛擬現實的應用已經比較廣泛，未來，虛擬現實技術還有很大的發展空間和應用前景，需要相關的研究者不斷創新創造。

參考文獻

[1] 周露露. 三維動畫創作中虛擬現實技術的應用研究[D].南京：南京藝術學院，2021.

[2] 李明燃. 基于虛擬現實技術（VR）的當代公共藝術[D].北京：中央美術學院，2021.

[3] 胡巖珊. 虛擬現實技術對人類思維認知的影響研究[D].哈爾濱：哈爾濱師范大學，2021.

[4] 李超鵬. 論虛擬現實技術在現代工業設計中的應用[D].濟南：齊魯工業大學，2020.

[5] 祝海英.VR場景建設標準及規范的研究與應用[J].科技資訊，2020，18（35）：26-28.

[6] 趙云浩，殷偉，鄭東雙.淺談對大數據和虛擬以及現實空間的聯系與猜想[J].科技資訊，2020，18（6）：24-25.

[7] 朱杰.虛擬現實技術與數字影像技術的發展與研究[J].科技創新導報，2019，16（35）：134，136.