計算機虛擬現實技術的關鍵點及應用研究

孔瑤

關鍵詞：計算機；虛擬現實；應用場景

1引言

現階段，我國科技水平不斷提高，計算機虛擬現實技術在諸多領域中得到廣泛應用，計算機虛擬現實技術也稱之為VR技術，該項技術是目前國際上正在研究的一種高新技術。該技術主要依托計算機硬件設備構建與現實世界高度相似的虛擬現實場景，引導使用者沉浸在虛擬現實場景中并開展各類社會生產活動，這對各行業的發展有重要的現實意義。與此同時，計算機虛擬現實技術在實際應用期間面臨場景單一等問題，需針對計算機虛擬現實技術關鍵點進行深入研究，最大化地挖掘計算機虛擬現實技術的潛力和價值。

2計算機虛擬現實技術的關鍵點

2.1實物虛化

2.1.1構建模型

虛擬環境模型是計算機虛擬現實技術開展各項應用活動的重要依托，用戶持續采集并向軟件中導人有關指定現實環境的全部三維數據，對原始數據進行一系列預處理加工，篩除重復、失真數據，以確保預處理后的數據信息具備完整性、真實性。然后使用三維數據來搭建虛擬環境模型框架，按順序逐步設定空間尺寸、環境條件、氣候、實體結構材質等要素，對照并檢查虛擬環境模型和實際環境是否存在明顯出入，對不合理部位進行優化調整，生成三維效果圖，即可完成模型構建作業。最后，為提高虛擬環境模型的真實程度，可直接在模型中添加現實環境中拍攝的照片、音視頻資料，或是在模型中保留一定程度的現實環境物理元素，如結構受力分布、材料材質、氣候條件等[1]。

2.1.2空間追蹤

應確保使用者在虛擬現實場景中能夠有效進行巡視檢查、生產加工等活動，以完成絕大多數同樣可在現實環境中開展的活動。在計算機虛擬現實技術體系中，必須應用到空間追蹤技術，通過VR眼鏡、VR手套等硬件設備，持續感知使用者的身體狀況，在監測數據的基礎上，持續變動使用者在虛擬現實場景中的空間位置，并在使用者移動位置時持續更新場景內容，向其開放全新場景地圖。

2.1.3視聽追蹤

為滿足使用者在虛擬現實場景中的感官體驗需求，在系統中配備視頻攝像機、聲傳感器等硬件設備，以搭建視聽跟蹤子系統。同時，系統可以實時定位使用者的三維空間坐標值，向使用者提供相應的視覺影像和音頻資料。

2.2虛物實化

2.2.1視覺感知

為確保使用者深度沉浸在虛擬現實場景中，切實感受虛擬現實環境的質感，需要應用到視覺感知技術，持續把使用者目光注視部位的圖像傳遞至人眼，并考慮到人眼視覺差問題而同步生成多幅圖像，使用者在觀看圖像時在大腦反饋作用下忽視虛擬環境、現實環境的細微差異。同時，為進一步改善視覺感知效果，可以搭配應用ATW異步時間扭曲、MultView多視圖渲染、ASW異步空間扭曲、畸變補償渲染等全新技術手段，以補全虛擬現實渲染技術短板[2]。

2.2.2聽覺感知

聽覺是虛擬現實場景的核心元素，根據場景類型來提供相應的聲音渲染，起到烘托氛圍的作用。在早期計算機虛擬現實技術應用期間，普遍采取ITD同有時間尺度分解技術，把信號分解為若干固有旋轉分量及趨勢余量，從中提取所需高頻分量、計算分量瞬時相位與頻率，定位初始到達時間后向使用者傳達聲音，此技術不具備單耳定位條件。隨著時間的推移，計算機虛擬現實技術日趨完善，當前主要采取HRTF音效定位技術或Inside-out內向外追蹤定位技術。其中，HRTF技術根據時間差、聲壓差和濾波效應特性來建立傳遞函數，實時鎖定聲源位置，準確計算左聲道、右聲道最佳輸出效果，向使用者提供真實度更高的立體聲效，具備單耳定位功能。另外，Inside-out技術把視覺相機、事件相機、IMU慣性器件等作為傳感裝置，無需配備額外定位裝置，利用光學追蹤原理來掌握虛擬現實環境變化情況，把實時監測數據導人SLAM算法中，以求解攝像頭空間位置。VR設備所配備傳感器數量越多，聽覺感知效果越好。

2.2.3觸覺感知

使用者在虛擬現實場景中開展各項行動時，VR設備向使用者反饋相應的觸覺感知。例如，在駕駛車輛時感知到方向盤轉動阻力與身體晃動，在荒漠與灘涂等復雜地形中行走時感覺到吃力，觸碰到各類物體時感受表面機理觸感。目前來看，常用的觸覺感知技術包括力反饋觸覺操縱桿、VR Touch觸覺反饋、ThermoReal熱觸覺、HaptX Gloves觸覺手套4項技術。（1）力反饋觸覺操縱桿技術以折紙結構作為操縱桿構造形式，使用者既可以360°旋轉操縱桿來完成復雜操作行為，也可以通過觸摸操縱桿來感知虛擬環境中的物體軟硬程度。（2） VR Touch觸覺反饋技術是在VR設備上配備大面積的塑料材質觸覺裝置，具備開展抓取、操控、觸摸等多種操作的條件，并向使用者提供觸覺感知。（3） ThermoReal熱觸覺技術在常規觸覺感知功能基礎上，額外提供冷熱感知功能，使用者可以切實體驗虛擬現實場景內的環境溫度、物體溫度。（4）HaptX Gloves觸覺手套技術配備微型氣動執行器與機械制動器，把大量部件按順序陣列排布，所提供的觸覺感受最為真實[3]。

2.3網絡傳輸

在計算機虛擬現實技術體系中，網絡傳輸技術負責實時搜集使用者姿態信息、把監測數據反饋至VR設備執行相應動作，打通VR設備與系統主機間的通信壁壘。根據實際應用情況來看，在VR系統運行期間需要持續傳輸海量的數據信息，而傳統有線傳輸系統存在線路復雜、有效傳輸量小的局限性，無法滿足實際使用需要，因此，需要應用5G移動通信、交錯幀傳輸等新型技術。（1）5G移動通信技術具備高速率、大連接、低時延的特點，正常情況下的峰值速率為10～20Gbit/s、空中接口時延不超過1ms、連續廣域覆蓋下的體驗速率超過100Mbit/s，能夠滿足VR系統網絡傳輸需要。（2）交錯幀傳輸技術強調把畫面傳輸幀分為緊急更新畫面幀、重復使用畫面幀等多個類別，在VR系統運行期間，優先利用通信資源來傳輸緊急更新畫面幀，利用空閑通信資源來傳輸剩余畫面幀，實際傳輸數據量還不到早期網絡傳輸系統的1/2[4]。

3計算機虛擬現實技術的主要應用場景

3.1產品設計

在傳統產品設計模式下，由甲方提前提出對產品造型、使用功能、性能質量等方面的要求，再由設計人員制定初步設計方案、繪制產品草圖，把方案草圖提交給甲方進行審查，審查通過后，再把產品投入正式生產，在生產期間判斷是否存在設計不合理等問題并加以改進。這一產品設計模式具有流程煩瑣、周期時間長、成本高昂的局限性，時常因甲方提出要求過于籠統、設計方案可行性缺乏有效驗證手段而出現設計變更、產品返工等問題。

因此，需要在產品設計場景中應用計算機虛擬現實技術，并將其具體用于設計成果展示、功能驗證、生產模擬等環節。（1）在設計成果展示環節，設計人員根據甲方所提要求，直接在VR系統中確定初步設計方案，通過三維模型或是虛擬現實場景內實物形式，向甲方立體化呈現設計成果，幫助甲方更為準確地判斷設計成果是否滿足自身預期要求，后續提出具體改進建議，從而避免要求籠統、頻繁變更。（2）在功能驗證環節，搭建產品使用的虛擬現實環境，在虛擬環境中開展多項功能性試驗，觀察產品在假定條件下的功能發揮、總體運行工況是否達標，以幫助設計人員找出不合理問題、確定深化設計方向。（3）在生產模擬環節，在虛擬現實場景中營造車間生產環境，按照設計方案內容來組織開展生產活動，持續觀察產品質量、生產效率和物料資源耗用量，若生產成本超標、生產效率偏低，則對設計方案與生產方案加以改進。

3.2VR教學

在傳統教學模式中，學生的知識獲取來源較為單一，主要通過線下課堂進行學習，教學場景受到時間、地點的雙重限制。隨著信息化時代的到來，多媒體教學模式得到推廣實施，教師通過制作PPT課件、微課視頻等方式來開展教學活動，教學效率、質量得到一定提升，但實際提升幅度遠未達到預期要求。因此，各所高等院校需要有效結合計算機虛擬現實技術和傳統教學模式，在其基礎上構建VR教學體系，為學生營造與現實環境基本一致的虛擬現實教學場景，用于開展各項專業教學工作。這既可以顯著提高教學質量，避免因錯誤操作行為而出現安全事故，又可以把教學成本控制在合理范圍內。例如，北京航空航天大學利用VR教學系統開展分布式飛行模擬練習教學活動，浙江大學建筑專業利用VR教學系統開展建筑虛擬規劃設計教學活動。

3.3醫療服務

在我國醫療行業發展期間，計算機虛擬現實技術在醫療手術、患者康復治療、特殊病癥治療等場景中得到廣泛應用，徹底改變了醫療服務及醫療診療模式，并推動我國醫療行業邁人全新發展階段。首先，在醫療手術環節，提前在VR系統內營造虛擬手術環境，按照既定手術計劃開展模擬試驗，判斷術中情況、術后患者恢復效果是否理想。同時，還可以對患者內部器官進行三維掃描，從而更為全面地掌握患者身體狀況、科學制定手術計劃。例如，美國邁阿密尼克勞斯兒童醫院提出Google Cardboard耳機計劃，通過VR耳機來觀察嬰兒患者的身體情況，發現Teegan Lexcen嬰兒僅有一個肺與半個心臟，根據3D圖像來制定手術方案，術后一個月，該名嬰兒的身體狀況得到明顯改善[5]。其次，在患者康復治療環節，部分患者在術后短時間內行動不便，如果長期臥床不起會延長恢復周期、影響身體恢復效果。在VR技術應用中，患者佩戴觸覺手套等設備進行適量康復訓練，由醫生根據患者情況在系統中設定訓練量和訓練強度，以避免過度訓練而造成身體二次傷害。最后，在特殊病癥治療環節，醫生根據患者病癥來營造專屬的虛擬現實場景，幫助患者在受控、安全環境中直面自身癥狀。以恐懼癥為例，患者在虛擬現實場景中進行高處、飛行、公開演講等主題的脫敏性訓練。

3.4設備運行監測

在設備運行監測場景中，VR技術可用于設備在線監測、故障預測，幫助管理人員實時掌握設備運行工況，無需頻繁前往生產現場，這對提高設備管理效率、減輕工作負擔有著重要意義。首先，在設備在線監測環節，在VR系統中接人現場安裝的溫度傳感器、壓力傳感器、攝像頭等終端設備，持續收集、處理現場監測信號與更新虛擬現實場景，通過固定／移動3D模型的方式來展現設備運行情況，動態呈現位置、姿態、運行負載等要素的變化過程。同時，設立運行參數額定值和允許偏差范圍，若設備運行狀況異常，則由VR系統向管理人員發送報警信號。其次，在設備故障預測環節，VR系統具備強大的邏輯分析能力，通過設備的實時運行數據、歷史運行數據和同類故障案例，推演設備在未來一段日寸間的運行工況，若預測到可能會出現的故障問題，則提前修改設備運行方案、開展維護保養工作，把故障隱患消弭于無形。

3.5工程管理

在工程管理場景中對VR技術的應用，既可以向全體工程人員更為準確地傳達管理計劃，以避免因理解錯誤而影響到管理計劃執行效果，又可以向管理人員準確、直觀且全面地反映工程管理情況，進而發現管理問題與采取改進措施。例如，在施工安全管理方面，結合VR技術與安全培訓工作，在VR系統內搭建工程現場虛擬現實場景，工程人員在場景內沉浸式學習各項安全技能，參與火災逃生和人員觸電等工程事故的救援疏散活動，以避免在施工期間面對各類工程事故時手足無措、產生不必要的人員傷亡。而在技術管理方面，把施工技術方案導人VR系統內并開展仿真模擬試驗，以判斷試驗結果是否達到工程建設目標，必要時更換工藝技術種類、調整技術標準。

4結束語

在新時代背景下，計算機虛擬現實技術在諸多行業領域內得到大規模應用推廣，具備廣闊的應用前景。工作人員都應提高對計算機虛擬現實技術的重視程度，深入了解其技術組成部分和關鍵技術手段，結合實際需求來拓展技術應用場景，將計算機虛擬現實技術在產品設計研發、VR教學、醫療服務、設備運行監測、工程管理等場景中做到落地應用，使計算機虛擬現實技術的作用得到完全發揮。