基于VR眼鏡和智能手機的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)

蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 刁玉琦

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為先進的人機交互技術(shù)，在當前已經(jīng)得到了較好的應(yīng)用，可通過結(jié)合計算機圖形技術(shù)與視覺技術(shù)，為用戶帶來渲染后的虛擬場景，以此提升用戶的虛擬現(xiàn)實的體驗感。但根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展水平來看，虛擬現(xiàn)實技術(shù)成本較高，難以滿足消費者的多元化的體驗消費。因此，本文概述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理論內(nèi)涵，探討了基于VR眼鏡與智能手機的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設(shè)計，引入藍牙手柄的硬件，以此來拓展虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，通過描述虛擬設(shè)備的實現(xiàn)方式，最終為用戶提供沉浸感的EAST裝置，實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實漫游應(yīng)用。

1 研究背景

1.1 文獻綜述

在現(xiàn)實生活中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）已經(jīng)得到了較快的應(yīng)用，該技術(shù)的特點在于多感知性、成長感、交互性和自主性，現(xiàn)階段已經(jīng)被廣泛用于游戲、教育、醫(yī)療、設(shè)計、軍事等領(lǐng)域，針對于這種新型技術(shù)，許多學者開始了廣泛的研究。伴隨信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)正逐步走入教學環(huán)境中，解決了當前高校教學中存在的教學方式單一、資源貧乏等問題[1]。這對于改善枯燥的教學模式、豐富教學資源、增加學生在虛擬環(huán)境中的體驗感具有十分重要的作用。現(xiàn)階段，學生只有通過真實的體驗融入教學活動，才可以通過自我導(dǎo)向的方式，實現(xiàn)自主學習，進而提高自我控制能力。在航空工業(yè)方面，自2014年開始，現(xiàn)有的視聽接觸優(yōu)勢技術(shù)為虛擬技術(shù)提供了全方位的物質(zhì)基礎(chǔ)。當前，已經(jīng)應(yīng)用于飛機概念座艙設(shè)計中，開發(fā)了沉浸式座艙系統(tǒng)。由此有效推動“數(shù)字模型-船體模型-評估-迭代數(shù)字模型”的轉(zhuǎn)換，極大地加快了迭代設(shè)計速度，降低了研制成本[2]。上述研究是從VR技術(shù)的應(yīng)用角度來探討的，但在設(shè)計過程中，需要借助移動設(shè)備與VR設(shè)備進行互聯(lián)互通，提高該技術(shù)的不斷升級。

1.2 研究目的

伴隨虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，在許多領(lǐng)域已經(jīng)成為了研究熱點問題。在此基礎(chǔ)上，虛擬現(xiàn)實的相關(guān)設(shè)備也在不斷更新、精簡。如何利用智能手機連接VR眼鏡，進行虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，是本文所要研究的關(guān)鍵點。現(xiàn)階段，VR技術(shù)雖已經(jīng)在社會生活中得到了應(yīng)用，但因其體驗價格高、消費貴等劣勢，難以在實際生活中大力推廣。因此，采用智能手機，結(jié)合VR虛擬技術(shù)，建立虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實意義。

2 虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)備

2.1 虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)的理論分析

所謂虛擬技術(shù)，是在計算機上生成一個三維空間，并利用該空間，為使用者提供了視覺、聽覺、觸覺等感官的虛擬感覺，讓其仿佛身臨其境的一種新型技術(shù)。VR發(fā)展史可以分為4個階段：在1963年以前，是一種有聲形動態(tài)的模擬；1963—1972年之間，處于虛擬現(xiàn)實萌芽階段；在1973—1989年之間，虛擬現(xiàn)實概念的產(chǎn)生和理論形成；1990—2004年之間，虛擬現(xiàn)實技術(shù)理論進一步的完善和應(yīng)用；2004年至今，VR技術(shù)仍處于不斷發(fā)展的階段。在當前的發(fā)展新時期，VR技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)實系統(tǒng)中，就需要解決自動定位、自動校準、三維測量與定位、信息編碼與解碼等技術(shù)，通過將實物與技術(shù)進行特征結(jié)構(gòu)化，可以再現(xiàn)真實的現(xiàn)實場景。

2.2 當前虛擬現(xiàn)實主流設(shè)備分類

現(xiàn)階段，VR技術(shù)的升級加快了虛擬現(xiàn)實設(shè)備的更新?lián)Q代的速度。從傳統(tǒng)笨重的機器，向更輕便的穿戴設(shè)備轉(zhuǎn)變，并且一直向輕便、舒適的領(lǐng)域延伸[3]。新時代以來越來越多的大型IT企業(yè)已經(jīng)開始進行虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域的研究，并且不斷地研究出虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備。例如，OCULUS VR公司推出穿戴設(shè)備Oculus Rifd DK系列，已經(jīng)受到了人們的廣泛關(guān)注；索尼公司展出PlayStation4游戲配合使用的頭戴設(shè)備Project Morpheus，為游戲愛好者提供了新的體驗。谷歌、暴風科技等公司，也相繼推出科技設(shè)備。但本文主要介紹當前主流的虛擬現(xiàn)實設(shè)備，包括索尼Project Morpheus、Oculus Rifd、Google Cardboard、VR眼鏡等，具體內(nèi)容效果如表1所示。

表1 各類虛擬技術(shù)設(shè)備的功能效果對比Tab.1 Function effect comparison of various virtual technology devices

綜合來說，VR眼鏡具有簡單易用、適配手機型號更廣，而且價格較為便宜等優(yōu)勢，可以讓更多人體驗到VR技術(shù)并且了解其基本原理，這也是為什么本篇文章選用VR眼鏡來作為構(gòu)建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)設(shè)備的原因。

3 基于VR眼鏡和智能手機的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用開發(fā)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在當前社會中得到了快速發(fā)展，促進虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的不斷推陳出新，再加上虛擬現(xiàn)實設(shè)備的更新速度也在加快，使得虛擬體驗門檻越來越低。為此，在本次實驗中將VR眼鏡與智能手機相結(jié)合，搭建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。一般而言，在虛擬現(xiàn)實方向中，VR眼鏡的體驗功能尚未被完全開發(fā)，而借助智能手機、藍牙手柄等設(shè)備，可以讓用戶更加真實、廉價體驗虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

3.1 硬件開發(fā)

VR眼鏡本身不進行任何的計算，所有計算和顯示都是借助智能手機來完成的。近年來，MEMS傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，使得虛擬技術(shù)頭部追蹤技術(shù)都在應(yīng)用該技術(shù)，許多智能手機也內(nèi)置了MEMS傳感器，例如陀螺儀等[4]。這為VR眼鏡配合智能手機來實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了必要條件。為此，通過陀螺儀技術(shù)，實現(xiàn)人機虛擬世界的交互。

目前，在手機中，陀螺儀和加速度計構(gòu)造相同，兩者都是由三軸組成的，可檢測手機的角速度。在其內(nèi)部的驅(qū)動下，振動金屬片，使得手機在旋轉(zhuǎn)時，振動部件可以沿著X、Y、Z三方向扭曲，隨后通過角速度傳感給手機可以認知的信號。

3.2 軟件開發(fā)

用戶沉浸式的強弱與軟件的質(zhì)量息息相關(guān)，因此，如何結(jié)合虛擬技術(shù)的相關(guān)理論基礎(chǔ)，以及關(guān)聯(lián)的技術(shù)對軟件進行開發(fā)，成為本文研究的重要方向[5]。在此推薦利用渲染引擎Unity3D作為虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)的方法。

作為一個綜合開發(fā)環(huán)境，Unity3D集成最大的特點是層級式發(fā)展，能夠以Visual的形式進行編輯，并且該軟件可以把動態(tài)屬性和其相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容進行預(yù)覽，為使用者提供更好的工作方式。目前，Unity3D構(gòu)成程序的基本單元為初步的場景（Scene），而多個場景又組合成了一個初級的Unity3D程序。另外，單個場景又由多個對象（GameObject）來組成，并細分為腳本（Script）。同時，為了方便開發(fā)者對圖像進行多樣化的處理工作，需要利用Direct3D、OpenGL以及APIs等技術(shù)，不斷導(dǎo)入相關(guān)資源。在此方面，最為常見的格式為OBJ、3DS等。除此之外，Unity3D技術(shù)又內(nèi)置了NVIDIA強大的物理引擎，因此可充分滿足多個平臺開發(fā)的需要。

3.3 基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件開發(fā)

在虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件中，最為關(guān)鍵的一個技術(shù)，就是搭建虛擬的人工環(huán)境，并將該環(huán)境通過立體的形式傳遞給用戶，使之融入沉浸感中。由于雙目存在視差是人眼立體感覺形成的最重要因素，因此我們采用視差原理，運用Unity3D引擎建立立體的視覺。此時設(shè)置具體的軟件系統(tǒng)，具體如下所示：

（1）Scene視圖作為虛擬世界，存放虛擬物體；

（2）Main Camera主攝像機，作為一個虛擬攝像機，運行Game視圖。

此時假設(shè)：將虛擬攝像機作為觀測該虛擬世界的“眼睛”，我們在虛擬世界中放置一個球體，且觀測視角為球體的正視方向，我們可以通過以下方式來實現(xiàn)：

（1）在場景（Scene）中建正方體（Cube），把它定位在空間坐標為(0,0,0)的位置，

（2）將主攝像機（Main Camera）放置到(0,0,-2)位置，保證與正方體有2個單位的距離，使正方體處于主攝像機的視野范圍內(nèi)。

從中可以看出，虛擬攝像機照射范圍在2個單位內(nèi)。

（3）我們打開攝像機Camera1，同時關(guān)閉攝像機Camera2，代碼如下：

最終效果，我們可以看到左邊的平面是綠色，而看不到右邊的藍色，視角將接近左邊的球體。

3.4 應(yīng)用范例

3.4.1 藍牙手柄與虛擬環(huán)境的互動

通過先進的藍牙技術(shù)，將其與智能手機建立連接。打開藍牙手柄，通過藍牙功能收到藍牙信號，并建立配對關(guān)系。連接成功后，在Unity3D引擎中輸入信號，使得內(nèi)容Inputmanager進行相應(yīng)配對，讀寫、編寫不同的響應(yīng)事件。

3.4.2 EAST裝置內(nèi)部的虛擬現(xiàn)實漫游

從現(xiàn)實情況來看，East裝置有著較高的高度，外部直徑為8m，重量為400t。需要在超強電磁場、超真空等苛刻條件中工作，能夠建立十分嚴格的標準條件。在停止裝置工作之前，人們無法得知內(nèi)部的具體情況，所以有必要對這些裝置結(jié)合VR技術(shù)來開發(fā)，能夠在不進入內(nèi)部的情況下了解具體的發(fā)生情況，以此作出對應(yīng)的處理。

4 結(jié)論

綜上所述，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在當前社會中的應(yīng)用越加廣泛，成為學術(shù)界中討論的一個熱點。伴隨虛擬技術(shù)的不斷成熟，虛擬設(shè)備也在不斷豐富與創(chuàng)新。這就使得人們與虛擬現(xiàn)實之間的距離更加接近，特別是VR頭戴式顯示設(shè)備封閉人外界的視聽感覺，引導(dǎo)用戶處于一種虛擬環(huán)境中的感覺。該技術(shù)的原理在于，通過左右眼屏幕分別顯示圖像，使得人眼有了較大差異，從而將信息導(dǎo)入大腦，使之產(chǎn)生巨大的立體感。但同時，這種體驗感覺造價較高，普通消費者難以承受這類消費。為此，通過將VR眼鏡與智能手機連接，使得用戶在廉價體驗的同時，得到更好的應(yīng)用。

引用

[1]ZHANG M W B,HO R C M.Smartphone Applications for Immersive Virtual Reality Therapy for Internet Addiction and Internet Gaming Disorder[J].Technology & Health Care,2016,25(2):367-372.

[2]SUN G C,CHEN X L,HOU Y Z,et al.Image-guided Endoscopic Surgery for Spontaneous Supratentorial Intracerebral Hematoma[J]. Journal of Neurosurgery,2016,127(3):537.

[3]OZDALGA E,OZDALGA A,AHUJA N.The Smartphone in Medicine:A Review of Current and Potential Use Among Physicians and Students [J].Journal of Medical Internet Research,2012,14(5): 128.

[4]HUANG J,ETZIONI O,ZETTLEMOYER L,et al.RevMiner:An Extractive Interface for Navigating Reviews on a Smartphone[J].Uist12 Proceedings of Annual Acm Symposium on User Interface Software & Technology,2013,44(1):3-12.

[5]LAURILA J K,GATICA-PEREZ D,AAD I,et al.From Big Smartphone Data to Worldwide Research:The Mobile Data Challenge[J]. Pervasive & Mobile Computing,2013,9(6):752-771.