虛擬現實技術在多終端數字化展示中的應用探析

趙影

關鍵詞：虛擬現實；多終端；數字化展示

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）10-0114-03

1 虛擬現實介紹

近年來隨著計算機技術、人機交互技術和設備以及計算機網絡與通信工程等科學領域的突破與發展，虛擬現實技術也得到了迅速的發展與應用。虛擬現實（Virtual Reality簡稱VR），是指虛擬和現實相互結合，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實環境在視、聽、觸感等方面高度近似的虛擬環境，用戶借助虛擬現實裝備與虛擬場景中的對象進行交互作用，并且產生身臨其境的感受和體驗。虛擬現實技術的實質是，構建一種人為的能與之進行自由交互的環境，在這個環境中參與者可以實時地觀察和操作環境的對象[1]。

虛擬現實具有三大特點，即3I 特性，構想性（Imagination）、沉浸感（Immersion）、交互性（Interac?tion）[2]。

1）構想性（Imagination）：體驗者置身在三維虛擬環境中，在虛擬環境中可以有更多的想象空間。體驗者在體驗的虛擬的環境中，能夠體驗真實世界中無法體驗的場景，可以有更多的想象空間，進而獲得構想與靈感。例如，在陸地上通過虛擬現實技術，構造出三維虛擬的海底世界場景，體驗者置身在虛擬現實環境中，能夠體驗到海底世界場景，產生更多的想象空間。

2）沉浸感（Immersion）：體驗者在虛擬環境中能夠體驗的真實程度。體驗者通過佩戴虛擬現實裝備，如頭盔顯示器、數據手套等，進入一個虛擬的環境里，在虛擬的環境中，體驗者能夠在空間環境中進行交互，并且會得到和真實世界中一樣的反饋，讓體驗者像是在真實世界中一樣的沉浸感。例如，通過虛擬現實進行精密儀器的拆解，體驗者進入佩戴上頭盔顯示器和數據手套后，能夠一個步驟接一個步驟地進行儀器的拆解，就像在真實世界操作一樣，具有很強的沉浸感。

3）交互性（Interaction）：體驗者通過使用虛擬現實裝備，虛擬環境對體驗者的肢體動作會做出反饋，體驗者可以實現與虛擬環境中的物體進行主動的交互操作。例如，體驗者在虛擬現實環境進行模擬駕駛，就像在和在真實世界的駕駛操作一樣，每一個步驟都得到了反饋。

虛擬現實技術是繼數字媒體技術、網絡通信技術之后又一門嶄新的技術，虛擬現實技術為體驗者營造了構想性、沉浸性和交互性的體驗環境，在為體驗者創建仿真的體驗情景方面有著不可替代的積極作用。

2 多終端展示介紹

本文研究的多終端包括了移動端、虛擬現實裝備端和智能可視化中心端。

2.1 移動端展示

移動端主要包括iOS手機端、Android手機端、iOS平板端、Android平板端等。移動端展示是指結合手機、平板等移動端深度應用虛擬現實技術進行展示。當前虛擬現實技術在移動端的應用，作為數字化展示的一個手段，配上一些語音解說，用戶體驗多用于點擊瀏覽，在線上環境應用比較多，在線下環境中應用不多。

隨著移動終端技術與設備的普及和發展，虛擬現實技術與其相結合，實現移動端的數字化展示，在移動端進入虛擬現實場景后，可對三維場景進行整體總覽，能夠實現固定視角與自由視角的無縫切換，方便瀏覽。移動端瀏覽也能夠實現可以放大或縮小畫面，可以進行360°的自由旋轉，同時，在自由模式下還可以實現畫面的平移，方便瀏覽。在數字化展示中，移動端的使用主要優點一是使用方便并且靈活，移動設備便于攜帶并且不受網線等使用條件的約束，二是相對虛擬現實裝備的使用成本較低。

2.2 虛擬現實裝備展示

虛擬現實裝備指的是虛擬現實硬件設備，主要包括感知設備、交互設備、定位跟蹤設備和虛擬世界生成設備。目前常用的虛擬現實裝備主要有計算設備、顯示設備、追蹤設備、交互設備等。虛擬現實裝備展示指利用虛擬現實裝備展示信息，包括圖表、圖片、視頻等。目前虛擬現實技術在虛擬現實裝備的展示，包含了三維建模、數字媒體、實時視頻顯示及控制、多傳感器融合、實時跟蹤定位、多場景融合等技術。通過虛擬現實裝備，可以解放體驗者的雙手，便捷完成指令接收、數據分析展示、視頻拍攝、圖片采集等工作[3]。

虛擬現實技術可以從雙360度球型即720度范圍內的所有展示內容，通過虛擬現實技術模擬出的虛擬環境真實并且生動，佩戴虛擬現實裝備后，即可自由地穿梭在設定的體驗空間里，自主地和虛擬場景中的事物進行交互，無論從視覺、聽覺還是觸覺都能夠獲得全新的體驗。在數字化展示中，加入虛擬現實裝備，一方面可以提高體驗者的互動性，另外一方面可以創造很強的視覺體驗，讓數字化展示更具有趣味性和實用性。

2.3 智能可視化指揮中心展示

智能可視化指揮中心是集成先進的大數據分析模型、多樣化交互展示前端，智能可視化指揮中心展示是為適應目前信息化、智能化發展趨勢，歸集各類業務系統數據，應用數據圖表工具對經營、生產、工程指標等各類指標數據進行分析研判，全面動態展現企事業單位的業務態勢，為管理者提供數據決策支持、經營分析，實現“運籌帷幄之中，決勝千里之外”。

智能可視化指揮中心展示包括多維數據融合、多樣化圖表呈現、界面交互、綜合態勢監測和綜合查詢統計模塊等。

1）多維數據融合：支持集成包括地理信息數據、GPS數據、統計數據、建筑模型數據等多類型數據。

2）多樣化圖表呈現：包括平面圖和基于地理空間系統的三維空間圖表，常見的有折線圖、柱狀圖、餅圖、面積圖、儀表盤、散點圖、K線圖、熱力圖、關系圖、雷達圖、桑基圖等。

3）界面交互：支持二三維地理信息系統聯動、交互功能組件，觸控交互操作、專業標繪功能，提供自定義布局服務，提供多樣化的二次開發接口，以適應不同業務需求和應用場景。

4）綜合態勢監測：綜合實時呈現全區域范圍的情況和預警信息，利用數據可以詳細跟蹤每一項信息的具體狀況。

5）綜合查詢統計：支持全文檢索、關鍵字檢索和分類檢索，分類查詢并統計分析。

3 數字化展示介紹

數字化展示的起源可以追溯到20世紀90年代初期，它主要被應用于房地產行業的建筑設計展示。到了90年代末期，通過三維動畫的運用使得展示效果更加精彩，展示的內容也更加豐富，并且應用的領域也得到了拓展，這才真正開始形成了數字化展示的雛形。進入21世紀后，隨著硬件設備的發展迭代和更新，可交互硬件設備的應用將數字化展示推向了一個新的發展階段，人機交互的方式革命性地打破信息單向傳播的模式，實現了虛擬與現實的結合，拉近了人們與信息化的距離。特別是觸摸屏技術的發展并且被大規模應用，直接激發了數字化互動展示的熱潮。隨著數字展示的廣泛應用，數字展示的概念才逐漸清晰起來，獨立的行業形態也開始被人們認可。隨著人們的生活與消費水平日益提高，人們對精神文化與用戶體驗的需求也提出了更高的要求。數字化展示已不再局限視頻和門戶網站等手段，結合多終端設備來滿足用戶不同場景需求，精準定位用戶的使用場景，讓用戶直觀地并且便捷地提取用所需信息，成為數字化展示發展的趨勢。

數字化展示的形式包括硬件設備和軟件系統，硬件設備主要包括手機、平板、電腦主機、投影機、顯示大屏幕、液晶拼接器、燈光、音響、虛擬現實頭盔、虛擬現實手柄等。軟件系統包括內容影片、交互系統等。本文所研究的多終端設備主要指硬件顯示設備。

4 虛擬現實技術在多終端數字化展示中的應用

虛擬現實技術在多終端數字化展示中的應用，在設計時應該遵循先進性、經濟性、友好性、適應性、實用性和安全性等原則。在先進性方面，系統的設計應該在滿足數字化展示內容的需求的基礎上，采用符合信息技術發展趨勢的技術，要求易升級、易操作、易維護。在經濟性方面，要考慮到利用數字化展示環境的現有網絡資源，減少新增設備投資。在友好性方面，操作界面要充分考慮到多媒體設備和用戶的情況，對容易出現錯誤操作的環節進行標記或者提醒。在適應性方面，系統設計在充分考慮當前情況的同時，會考慮到今后較長時期內滿足數據及功能擴展的需求，留有充分的升級和擴充的可能性。后期可根據技術發展的實際應用需求，進行升級及二次開發。在實用性方面，系統的設計需要充分考慮用戶的需求和操作者的操作習慣等。在安全性方面，系統在兼顧響應、交互、內容的同時會在長期運行穩定性、可靠性及安全性方面著重考慮，需要考慮到備份策略和恢復策略和故障處理等來保障系統的穩定和安全。

隨著虛擬現實行業的不斷發展，虛擬現實技術陸續被應用于教育科研、工業、醫療等方面，虛擬現實技術的應用也得到了充分的發展。同時各個行業的數字化展示內容也應運而生，諸如智慧工廠、智慧教育、智慧指揮、智慧醫療等。虛擬現實技術利用3Ds max、Maya、Unity3D、MySQL等軟件和技術，在多終端數字化展示中的應用，可以實現多終端同時登錄、多終端操作共享與同步、多終端同時運行等，虛擬現實技術在多終端數字化展示中的應用，最重要的是數據的互通，必須要打通、連接、融合，要在數字信息上進行融合，整合為一個控制平臺。在此基礎上，可以實現多維度展示。多維度展示的特點有三方面：全方位、真實場景、適用性。全方位：全面地展示了雙360度球型即720度范圍內的所有展示內容；可在體驗場景中觀看體驗場景的各個方向和各個角度，體驗者猶如身在其中；真實場景：三維全景體驗場景大部分是在照片基礎之上拼合得到的圖像，最大限度地保留了體驗場景的真實性；適用性終端設備均能作為播放終端，通過網絡鏈接及案例下載，用戶可以隨時隨地查看，普及性及行業適用性強[4]。

虛擬現實技術在多終端數字化展示中的應用，通過三維虛擬互動技術結合虛擬現實技術將真實展示場景進行實景等比例三維建模還原，并通過粒子效果、動畫系統、著色器等先進技術對現實場景進行真實還原，體驗者可以通過虛擬現實眼鏡等虛擬現實裝備沉浸在如風雨交加、電閃雷鳴等場景中，通過聲音和視覺的效果真實體驗到真實場景；體驗者還可以通過虛擬現實手柄真正與虛擬場景互動，展示與體驗不再局限于真實的場地，而是通過虛擬仿真系統進行引導及展示，讓每位體驗者都能親自體驗虛擬環境中的實景[5]。

1）在工業的應用

復雜的工業設備和工業車間，難以用平面圖和原理圖等展示，通過虛擬現實技術，在移動端將企業工業設備和工業車間虛擬化，可進行企業產品與工藝流程的展示；在虛擬現實設備端，主要用于企業虛擬工廠的漫游，滿足大型廠房車間不方便實地參觀的需求；在智能可視化指揮中心端，實現決策人員的調度與管理。

2）在教育科研的應用

在體驗式教育科研過程中，會有很多有危險性的操作，比如大型復雜機械裝備，用虛擬現實的方式進行操作則可以避免操作中的安全風險。在移動端通過虛擬現實技術，可以進行大型復雜機械裝備原理和內部結構的展示；在虛擬現實設備端，可用于復雜機械裝備模擬操作或者培訓；在智能可視化指揮中心端，實現對操作人員的業務考核與管理。

5 虛擬現實技術在多終端數字化展示中的應用的意義

一是實現數字化展示的互動性與趣味性。傳統的圖文與視頻展覽展示已經無法滿足當代用戶的參觀需求，尤其是在網絡技術、多媒體技術和虛擬現實技術的快速發展下，數字化展示已經成為大勢所趨，加之各種終端設備的普及與發展。虛擬現實技術可以進行人機交互，獲得實體展館所沒有的虛擬交互體驗。

虛擬現實技術可有效展示與體驗3D物品與3D空間，滿足新技術發展形勢下體驗者對體驗的沉浸感和交互感，為體驗者提供仿真的模擬環境，使體驗者能夠在任何時間和地點體驗數字化展示的相關內容。

二是實現數字化展示的實用性。目前傳統的展示通常采用文字材料、圖片展示、錄像資料等靜態抽象方式進行，缺少體驗者的參與、反饋以及與實際工作環境的密切聯系，互動性不強、體驗者在參與過程中感到枯燥單調，基于虛擬現實的多終端數字化展示根據展示環境（例如變換風力、雨、霧等天氣或相關技術參數），多終端能夠根據體驗場景的實際情況，非常靈活地模擬真實場景。