計算機技術在虛擬現實技術中的應用分析

殷武　劉軍成

【關鍵詞】計算機技術；虛擬現實技術；應用分析

引言

早期計算機的出現只是為了方便數據的運算，而伴隨著信息化技術的發展，聲音、圖像、文字等多種信息可以同時進行處理[1]。虛擬現實技術提出的初衷只是為了營造一個以人類為中心的信息化環境，改變人適應計算機的傳統模式，目的在于最大限度發揮計算機提高人類認知、改變世界的作用。虛擬現實技術作為目前世界上計算機領域的一項重大突破，將計算機技術作為現實世界通往虛擬世界的連接工具，構建虛擬環境，實現人與計算機的自然交互，廣泛地應用于醫學、工程、藝術等多個領域，使世界上多個行業面臨的難題有了解決的方法，極大地方便和豐富了人們的工作和生活。在當前的信息化背景下，要想真正掌握、并將虛擬現實技術應用于現實生活的方方面面，就要深入分析計算機技術的發展和應用，了解計算機技術在虛擬現實技術中的應用方式以及它們之間的聯系，從而克服虛擬現實系統的技術障礙，發揮虛擬現實技術的巨大潛力。

一、虛擬現實技術概述

（一）虛擬現實技術的概念

在這個現代科學技術迅猛發展的時代，虛擬現實技術作為一項前沿科技，依托于計算機技術，以網絡并行技術作為基礎，利用計算機生成圖形和色彩，提供仿真環境，同時通過傳感設備，利用視覺和聽覺，讓用戶置身虛擬環境中，使用戶產生仿佛置身現實世界的感覺，從而實現人和環境、人與計算機的交互。虛擬現實技術包括四個部分，第一個部分是計算機，計算機與虛擬世界的生成有直接的關系，并且幫助實現虛擬現實技術中的自然交互功能，是虛擬現實技術的核心內容，虛擬世界的渲染功能對計算機配置有較高的要求；第二是輸入輸出設備，輸入輸出設備是人機交互的連接，沒有輸入輸出設備，用戶就無法置身虛擬環境，用戶的輸入形式被傳感設備所識別，并形成相應的反饋表現出來，同時在系統中形成記錄；第三是應用軟件系統，仿真環境中幾何模型、運動模型等的構建離不開應用軟件系統，應用軟件是虛擬現實技術的輔助系統，幫助構建虛擬世界所需素材，虛擬現實技術系統軟件的主要作用是對數據庫進行有效管理，包括立體模型管理以及虛擬世界數據庫的管理；第四是數據庫，虛擬世界中的各種信息都被收錄在數據庫中，虛擬世界中出現的各種物品、形象等，都能在數據庫中找到對應的模型[2]。

虛擬現實技術的發展首先將以往以計算機為主體的觀念轉變為以人為主體，在傳統的信息化觀念中，人應當去適應計算機的變化，在人與計算機的交互中，鍵盤和鼠標就是輸入設備，人要使用電腦首先要掌握如何使用電腦，而虛擬現實技術的實現，強調了讓計算機來適應人，用數據手套、頭盔顯示器等代替鍵盤鼠標，通過視覺、聽覺等形式，讓用戶融入虛擬世界，這個虛擬世界可以是真實存在的某一個特定環境，也可以是存在于想象中的世界，從而加深體驗的真實感。虛擬現實技術將人與計算機的交流變得更加簡單便捷，降低了工作的繁瑣程度，一定程度上解放了人們的雙手，在工作節奏日益加快的今天，信息技術的應用面更為廣泛，虛擬現實技術有利于最大限度發揮信息技術的作用。

（二）虛擬現實技術的特點

虛擬現實技術主要有四種特征，第一，沉浸性。沉浸性是指用戶對虛擬世界真實程度的評價，理想狀態下，用戶在虛擬世界的感知應當與現實世界無差別。用戶利用數據頭套等設備融入虛擬現實技術創造出來的虛擬世界，以多維的方式實現和計算機的自然交互，通過視覺等感官形式沉浸在虛擬世界中，使用戶產生趨近真實的體驗感。虛擬世界中用戶的自由行動是依靠虛擬現實技術對用戶肢體動作的跟蹤和傳導而實現的，而虛擬現實技術的輸入設備如數據頭套等應當與用戶的感官聯系緊密，這樣才能給用戶提供良好的沉浸式體驗。第二，想象性。簡單來說，想象性就是指用戶的創造性。用戶沉浸在虛擬世界中，在與虛擬世界交流和互動的同時，也獲得了新的知識，虛擬場景的形成與用戶的想象力和創造力息息相關，因此，虛擬現實技術有助于激發用戶的創造力，提高感性認識，發散用戶的創造性思維。利用虛擬現實技術的這一特性，在部分研究人員的調查實驗發現，虛擬現實技術可以作為展現人類學科設想的一個工具，比如，在工程或醫學領域，虛擬現實系統充當新媒體技術角色，將原本語言表述不清的內容或設想直觀地表達出來。第三，交互性。交互性是指用戶通過穿戴傳感設備，與計算機進行自然交互，使用戶在虛擬環境中獲得與在現實世界一致的感知，豐富了交互的形式，用戶在虛擬環境中能夠感受到物品、情感等的變化，計算機技術對用戶的肢體動作、語言等進行分析，從而實現對虛擬世界對象的圖像控制和聲音控制，給予用戶良好的體驗感。以物體的運動為例，虛擬環境中物體的運動應符合常理，物體的移動應當跟隨用戶的視覺角度變換而變換，提高人機交互的自然性。第四，自主性。自主性是指虛擬環境中物體運動的程度，虛擬環境中物體的運動也應當遵循物理學規律，動態環境建模技術是虛擬現實技術的關鍵，通過對用戶周邊環境數據的獲取，建立虛擬環境，實時獲取物體運動數據。

二、計算機技術和虛擬現實技術的關系

計算機的問世極大地方便了人們的日常生活和工作，人們對于計算機的依賴也愈來愈強，而近年來，虛擬現實技術的提出，一方面豐富了人們的感官世界，娛樂了人們的生活，另一方面，虛擬現實技術在各個行業領域內的應用，給行業發展提供了新的方向[3]。就計算機技術來說，它的主要作用在于數據的存儲、修改以及邏輯運算，包括指令系統、中央處理器等多種技術手段，由于計算機技術是一門綜合性技術，具有超越人計算能力的復雜性，也就決定了其應用范圍也十分廣泛，主要與通信技術、電子工程等領域聯系緊密，而隨著社會經濟的發展，計算機技術成為各行各業的發展和管理中不可或缺的角色。從本質上來說，虛擬現實技術相當于計算機技術的一個分支學科，人們通過虛擬現實技術構建出一個虛擬環境，通過人機自然交互功能，給人以身臨其境的體驗感。虛擬現實技術以現實世界作為參考，通過多種計算機技術手段，設計虛擬環境的各種模型，實現虛擬世界的三維動態變化，豐富用戶的感官世界，因此，虛擬現實技術與計算機技術息息相關，虛擬現實技術要想獲得更大的發展，就不能脫離計算機技術而存在，只有依托于計算機技術，虛擬現實技術才擁有遠大的發展前景。伴隨近年來科學技術的不斷發展，虛擬現實技術擁有獨特的優點，在各領域的應用越來越廣泛，有助于各領域人員展現自己的超前設想，解決各行各業所面臨的技術困境，減少危險性工作帶來的人員傷亡，被人們廣泛定義為走在世界前列的高科技技術。虛擬現實技術等前沿科技的發展壯大在一定程度上促進了社會經濟效益的提升，社會各行各業都加強了對虛擬現實技術的重視程度，促進了虛擬現實技術的開發研究，讓虛擬現實技術和各領域學科聯系越來越密切，不斷推動虛擬現實技術在社會生活中的應用。

三、計算機技術在虛擬現實技術的應用

（一）構建虛擬現實環境

虛擬現實技術的重點在于構建接近現實世界的虛擬世界，給人們提供真實的體驗感，真實感分為兩方面，一方面是虛擬場景的構建要真實，能夠將用戶帶入情境，另一方面真實感是指虛擬世界中的物體運動要符合物理學規律，與人們的認知習慣相符。因此，所繪制對象的物理屬性就顯得尤為重要。物理屬性涵蓋多個內容，包括物體的形狀、位置、運動方式等，而且，物體應當隨著用戶的視角和動作進行相應的改變，這就要求虛擬場景中的圖像顯示應當與用戶的觀察速度和觀察角度相一致，避免畫面滯后，導致動作場景銜接不連貫，影響用戶體驗感。通常來說，只有當計算機實現每秒10-20幀圖像時，場景更新才不會出現滯后。傳統的計算機技術中，現實渲染算法對渲染速度的要求并不是很多，而對于圖像的質量和真實性有著較高的標準[4]。在虛擬現實技術中，由于需要的是實時圖像，圖像的生成和變換有時間限制，因此應當合理利用計算機技術來獲得符合要求的圖像。以當前計算機圖形的級別為例，想要獲得準確而又清晰的圖像，需要花費大量時間，但是由于虛擬現實系統的實時模擬需求，實時圖形的獲得需要計算機技術在較短時間內完成，這就要求我們需在一定程度上降低對圖像質量的要求，盡可能采用較為簡單的幾何圖形，同時使用紋理映射、環境映照等技術手段來提升虛擬環境的真實性。首先，紋理映射的實施方法較為簡單，從本質上來說，就是將紋理圖像置于物體表面，以二維代替三維，充分表現物體的紋理細節，計算載量小，且能夠有效改善虛擬環境真實性。其次，環境映射就是指將虛擬環境中某一點的環境作為視點，將其周圍場景變為一個中間面，在這種技術手段下，當用戶在此點觀察周圍場景時，都可以看到完整且高度真實的畫面。另外，真實感實時繪制技術一般分為兩種，一種是基于幾何圖形展開的實時繪制，另一種是基于圖像展開的實時繪制?；趲缀螆D形的實時繪制是先有圖形，才有模型，而基于圖像的實時繪制是先有場景，再進行場景畫面的繪制。

（二）形成三維虛擬聲音

在虛擬現實技術中，聽覺信息和視覺信息同等重要，聲音和畫面一直以來都是相輔相成的，虛擬現實技術不僅僅需要視覺帶來的沖擊，更需要聽覺的支持。首先，為了提高虛擬世界的真實性，在場景中加入虛擬聲音，保證用戶虛擬世界的沉浸感體驗，減輕視覺壓力和用戶的視覺依賴性[5]。與虛擬現實技術類似，虛擬聲音技術同樣具備交互性和沉浸性，除此之外，它還具備三維定位和實時跟蹤等特點，有利于提高虛擬場景的真實性，豐富用戶的感知。其次，三維虛擬聲音技術也離不開語音合成和語音識別技術。顧名思義，語音合成技術就是利用計算機技術形成人工合成的聲音，在語音合成時，技術人員應當對語音表達的易理解性、清晰程度進行把控，方便用戶應用。與語音合成技術相比，語音識別技術則更為復雜，它是指利用計算機技術，將音頻轉化為文字內容，使用戶在虛擬環境中的交互進行得更加自然和容易[6]。

（三）智能語音虛擬建模

將計算機技術應用于虛擬現實技術中，其主要體現在對智能語音的虛擬建模方面，該工作比較復雜，在具體操作過程中對于時間成本及精力成本的要求比較高，倘若可以借助語音識別技術、智能識別技術等，通過對虛擬現實技術的科學利用，可以更好地處理語音虛擬建模缺陷。比如說，要深入剖析模型基本屬性，探究其基本方法，將語音識別技術應用于數據建模中，以常見的人工智能技術、圖像處理技術為中心，設計建模，評估模型。如此一來，可以明確呈現出模型對象，且可以基于邏輯性角度讓模型實現動靜態發展相結合的目標，提高系統模型價值。在完成建模工作后，需要對模型進行科學評估。

（四）加強對新型交互設備的研制

在實際應用過程中，要想賦予虛擬現實技術更多的自由特色，立足于虛擬世界情況，與各類對象建立交互關系，在持續交互中獲得身臨其境之感。在這個過程中，需通過對輸出輸入設備、數據手套及三維聲音產生器等的利用，模擬計算機的虛擬環境。通過對以上技術的應用，可以在虛擬現實技術發展中發揮計算機技術的價值，從而推動虛擬現實技術的高質量發展。在計算機技術科學研究中，可以將虛擬現實技術當作目標，完善交互設備系統，研究更多創新性較強的交互性設備，降低其成本、提高耐用性，為社會各個行業發展提供動力。

（五）充分應用大型分布式網絡虛擬現實

分布式網絡廣泛存在于虛擬現實中，其任務在于對處于零散狀態的虛擬現實體系、仿真器等進行整合，在網絡技術參與及指導下實現有效銜接目標。對于該過程而言，相關工作者要明確一體化的標準，建立統一的數據庫、信息結構及協議內容等，基于時間層面與空間角度建立虛擬合成體系，而使用者也可以在該環節中自由、有效地進行交互，從最大化程度上利用計算機技術，發揮其虛擬現實功能。就現階段的分布式虛擬現實交互情況來說，其已經在中長期發展中成為國際的重要研究熱點。因此，在今后發展計算機技術時，要將大型分布式的網絡虛擬現實技術應用于生活中，這是計算機技術發展的關鍵性趨勢。這是由于大型分布式虛擬現實技術的發展，對航天事業進步非常重要，價值突出。利用該技術來研究航空事業，可以控制成本支出及經費，且控制相關人員的研究情緒，避免研究人員出現不適感，讓計算機虛擬現實技術的作用得以充分發揮，從而推進我國軍事航天事業的長久及穩定發展，值得關注。

結束語

綜上所述，虛擬現實技術實現的基礎是計算機技術，虛擬現實技術的廣泛應用提高了人們的理性認知和感性認知，將計算機技術在人們工作和生活中的應用提高到一個新的層次，對計算機技術的發展具有十分重要的意義。另外，虛擬世界是依托計算機技術來對信息數據進行整合，并在虛擬現實世界中依賴于三維動態而形成。所以，計算機技術、虛擬現實技術二者呈現出相輔相成的關系，計算機技術工作者要科學區別計算機技術、虛擬現實技術二者的相同點及不同點，正確認識二者關系，進一步更新技術思維，探索虛擬現實技術的特點，精準掌握新時代下計算機技術、虛擬現實技術的特色，將計算機技術科學應用于虛擬現實技術中，讓這兩種技術緊密聯系在一起，發揮虛擬現實技術價值的同時，推進計算機技術的更新，讓虛擬現實技術得以高質量發展。