互聯網背景下的“虛擬現實+”數字媒體技術研究

摘要：為突破高沉浸數字媒體體驗的終端算力瓶頸，文章設計并實現了一套基于“端—邊—云”協同計算的“虛擬現實+”技術架構。該架構通過優化的混合渲染引擎與分布式框架，將計算密集型任務從用戶終端有效剝離。測試顯示，在50人并發的復雜場景下，系統仍能保證90 fps的幀率、低于70 ms的畫面延遲及小于50 ms的多人同步延遲。這一成果為下一代數字媒體的商業化應用提供了參考。

關鍵詞：互聯網；虛擬現實；數字媒體；沉浸式體驗；分布式計算

中圖分類號：TP37" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）28-0096-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

數字媒體的發展史是一部信息承載密度與交互維度不斷提升的歷史。虛擬現實（Virtual Reality， VR） 技術作為該演進的前沿，旨在超越傳統的屏幕媒介范式，構建人與數字信息環境深度融合的體驗。然而，這一躍遷對圖形渲染與實時交互所要求的算力，遠超當前主流消費級終端所能承載的極限。這一現狀預示著，下一代數字媒體的計算范式必須從“終端中心”轉向“網絡中心”，即由云、邊、端協同提供服務。本研究旨在通過設計并實現一套完整的“虛擬現實+”技術系統，對該“網絡中心”計算范式進行實證探索。系統的核心貢獻在于將重度計算任務從本地設備解放出來，交由“端—邊—云”架構協同處理，旨在為高品質沉浸式內容的規模化應用鋪設一條可行的工程路徑。

1 虛擬現實技術在數字媒體領域的適用性

虛擬現實（VR） 技術并非簡單的顯示終端升級，而是對數字媒體內容承載與交互范式的一次根本性重塑。傳統數字媒體，無論是文本、圖像還是視頻，其本質是一種二維信息傳遞，用戶始終隔著一塊“屏幕”作為觀察者。VR技術的根本適用性在于能夠消解用戶與內容之間的媒介界面，將用戶從信息的“接收者”轉變為環境的“體驗者”，實現了從“傳達”到“置入”的躍遷。這種躍遷的核心價值體現在沉浸感與能動性兩個維度，二者共同構成了衡量新一代數字媒體體驗質量的關鍵。

沉浸感，即M. Slater所定義的“臨場感”，是指用戶在虛擬環境中產生的“身處其中”的主觀感受，通過全景視聽包裹與高刷新率畫面，營造出強烈的生理與心理臨場感[1]。在敘事媒體中，這能極大增強情感共鳴；在信息展示應用中，則能顯著提升內容傳遞的效率與深度。用戶不再是被動的鏡頭跟隨者，而是擁有了自主探索空間的自由。在此之上，能動性指用戶在虛擬環境中行使主觀意志、產生有意義行為的能力，它賦予了用戶改變虛擬世界的可能[2]。借助六自由度（6DoF） 追蹤與自然手勢交互，用戶從內容的觀看者轉變為參與者，能夠操控物體、影響進程，使數字媒體能夠承載協同設計、技能培訓等更復雜的應用邏輯。

2 互聯網背景下“虛擬現實+”的關鍵技術

2.1 實時渲染與三維建模技術

在“虛擬現實+”數字媒體的語境下，視覺保真度是構建沉浸感的第一基石，而這直接取決于實時渲染與三維建模兩大支撐技術。為了同時滿足虛擬場景中自由交互的即時性需求與最終數字內容成片的高品質要求，本研究采用了一種雙管線處理策略，能有效避免因實時交互而對最終渲染質量做出妥協。該策略將制作流程解耦為服務于交互體驗的“實時通道”和用于精細內容生成的“離線通道”。

實時通道的目標是在極短時間內完成一幀畫面的繪制，其性能瓶頸直接決定了用戶體驗的流暢度與舒適度。為保證VR環境下不產生眩暈感，單幀渲染用時必須嚴格控制在11 ms以內。這一苛刻的時間預算，迫使實時通道在光照模型、陰影精度及后處理特效等方面采用高度優化的近似算法。與之相對，離線通道則以追求物理真實感為首要目標，不計時間成本地采用全局光照與路徑追蹤等復雜技術，以生成影視級的視覺效果[3]。表1直觀地對比了兩種渲染通道的核心參數。

2.2 人機交互與感知反饋技術

在“虛擬現實+”數字媒體生態中，人機交互與感知反饋技術是連接用戶與虛擬世界、實現從“被動觀看”到“主動參與”體驗升級的核心橋梁。它要求交互方式擺脫傳統鍵鼠的束縛，向更符合人類行為直覺的自然交互范式演進。為此，本研究構建了一套多模態交互系統，以滿足不同數字媒體場景對高沉浸感與低學習成本的復合需求。

其中，高精度的六自由度（6DoF） 空間定位技術是實現用戶在虛擬演播室等復雜場景中自由漫游、探索的基礎，其端到端追蹤延遲必須嚴格控制在2 ms以內，以從生理上杜絕眩暈感，保障用戶的基本在場感。在此基礎上，手勢識別與語音控制提供了直觀高效的內容操控手段。例如，在數字展廳應用中，用戶可通過自然手勢對虛擬展品進行抓取、旋轉與縮放，指令識別率可達95%；而在媒體導覽場景下，語音指令查詢的系統響應時間低于100 ms，實現了即問即答的流暢體驗[4]。

為契合互聯網的社群屬性，本系統將多人協同交互置于核心，支持高達50名用戶在同一虛擬會議場景中并發互動，將個體化的內容消費轉變為共享的社群體驗。具體功能與技術指標見表2。

2.3 5G與云計算支持的分布式虛擬現實

互聯網背景下，高質量虛擬現實應用對計算資源的需求與終端設備性能有限的矛盾日益突出。為解決此難題，5G的高帶寬、低延遲特性與云計算的彈性算力相結合，催生了分布式虛擬現實技術。該技術通過構建“端—邊—云”協同計算體系，將渲染與數據處理等重負載任務從本地設備剝離，是實現大規模、高保真數字媒體體驗的關鍵路徑。圖1直觀地描繪了這套面向數字媒體的分布式內容處理與分發架構。

針對數字媒體應用特點，云計算平臺定制了虛擬現實服務集群。其內容處理模塊日處理能力高達10 000 h的視頻素材，可將傳統媒資高效轉化為VR場景。直播分發系統采用“中心+邊緣”的兩級架構，中心節點負責內容匯聚與統一調度，邊緣節點承擔用戶接入與本地分發，支持高達10萬用戶同時在線觀看VR直播。而部署在網絡邊緣的計算節點，是保障低延遲體驗的關鍵。每個邊緣節點均配備專用視頻處理單元，能并行處理32路4K視頻流，并集成了支持128聲道空間音頻的實時混音系統，為用戶打造身臨其境的沉浸式音視頻盛宴[5]。

3 “虛擬現實+”數字媒體技術的系統實現

3.1 實時渲染引擎的優化設計

立足于雙管線架構，本研究設計并實現了一套面向數字媒體制作的混合渲染引擎，通過深度優化圖形管線，滿足虛擬演播室、在線展會等場景對沉浸感與交互性的嚴苛要求。為應對數字媒體場景中普遍存在的多動態光源環境，引擎的實時通道采用延遲渲染架構。該架構通過G-Buffer（幾何緩沖） 將場景的幾何信息（如位置、法線、反照率） 與光照計算解耦。在幾何階段，場景模型被渲染到多個渲染目標中；在光照階段，僅需對屏幕空間的像素進行光照處理，從而使光照計算的復雜度與光源數量成正比，而與場景的幾何復雜度無關。此設計在承載5～8個動態光源的同時，依然能將渲染幀率穩定在90 Hz以上（單幀耗時＜11 ms） ，為用戶提供流暢的交互體驗[6]。相較于傳統的前向渲染，該架構避免了因多光源導致幾何體被多次繪制的性能開銷，尤其適用于動態光照復雜的數字媒體場景。

為了將實時預覽與離線精渲無縫銜接，引擎構建了一套基于材質圖的統一資產管理系統。同一套PBR（Physically-Based Rendering） 材質資產，可根據目標通道編譯生成兩套不同的著色器代碼：一套是為實時渲染優化的簡化版，另一套則是支持路徑追蹤與全局光照的完整版。這種設計統一了美術資產的制作標準，極大簡化了從實時交互到高質量成片導出的工作流。為直觀展示上述優化策略的協同作用，圖2描繪了本引擎的核心數據處理流程。

3.2 分布式計算框架的實現方案

為支撐大規模、高保真的虛擬現實數字媒體應用，并有效解決終端設備算力不足的難題，本研究基于“端—邊—云”協同理念，設計并實現了一套分布式計算框架，將云渲染與5G傳輸能力具體化，為虛擬直播、數字孿生媒體等復雜應用提供可伸縮的后臺支撐。

框架的實現將計算任務精準地劃分至三層邏輯實體。首先，云端中央集群作為資產處理與調度中心，主要承擔非實時計算密集型的任務。系統利用云端GPU集群，部署基于深度學習的三維重建服務，該服務可將廣電媒體庫中長達500 h的二維視頻素材，在24 h內自動處理成適配VR場景的紋理化三維模型資產。同時，云端還負責對虛擬演播室等固定場景進行全局光照的離線烘焙，生成的光照貼圖文件可將場景的靜態光影效果固化，資產包預處理后分發至各邊緣節點。

邊緣計算節點是保障低延遲交互體驗的核心。本系統在此層部署了輕量級的容器化渲染服務實例，每個邊緣計算節點配置4塊NVIDIA A40 GPU。選用NVIDIA A40是因為其具備強大的渲染能力與針對虛擬化優化的特性，能夠并發支持50個用戶在同一虛擬發布會場景中的實時交互。邊緣節點執行延遲敏感型任務，包括對云端同步的高精度資產進行實時渲染、處理用戶的6DoF位姿數據，以及進行多用戶間的狀態同步。為保障媒體流的傳輸質量，系統實現了一套基于WebRTC的優化傳輸協議，結合可動態調整分辨率的智能編碼技術，將單用戶的下行峰值/平均帶寬需求穩定在150 Mbps/80 Mbps，實現從邊緣服務器到客戶端70 ms以內的端到端延遲[7]。

客戶端SDK的實現則聚焦于高效的數據上行與流暢的畫面呈現。SDK以最低系統開銷采集本地傳感器數據，并以20 Hz的頻率向邊緣節點上傳位姿與交互事件。在多人協同場景中，為保證交互的即時性與一致性，邊緣節點上的狀態同步服務器采用“快照插值”策略，以30 Hz的頻率向所有客戶端廣播權威世界狀態，消除網絡抖動與數據包亂序的影響，將用戶間的動作同步延遲嚴格控制在50 ms以下，為遠程協作等數字媒體應用提供流暢自然的交互保障。該策略通過在客戶端平滑地插值服務器狀態快照，有效平抑了網絡抖動帶來的視覺不連貫問題，保證了多用戶交互的流暢性。

4 技術應用效果分析

為綜合評估本研究所構建的“虛擬現實+”數字媒體系統的綜合效能，研究選取了“虛擬在線發布會”作為典型應用場景進行實證測試。該場景包含超過5 000個獨立模型、5個動態光源及3路4K視頻流輸入，模擬了高負載的數字媒體環境。

在渲染性能方面，測試場景在50人并發接入的條件下，客戶端平均渲染幀率穩定維持在90 fps以上，單幀耗時為10.2 ms，完全滿足VR體驗的流暢性要求，證實了優化渲染引擎的有效性。在分布式計算框架的支撐下，系統關鍵網絡指標表現優異，如表3所示。

測試結果表明，“端—邊—云”協同架構有效分擔了終端的計算壓力，并通過邊緣節點將交互延遲控制在極低水平。在交互體驗層面，手勢識別操控媒體內容的指令成功率達到96%。用戶主觀評估問卷（N=50） 采用基于沉浸感理論的李克特量表設計，內部一致性信度Cronbach's α=0.85，效度驗證良好。結果表明，系統的沉浸感與交互自然度評分均在4.5分以上（5分制） 。綜上，本系統在畫質、流暢度與交互性上均達到設計預期，驗證了該技術路線在賦能下一代數字媒體應用上的可行性與優越性。

5 結束語

本研究成功構建了一套面向下一代數字媒體應用的“虛擬現實+”技術系統，通過深度融合自主設計的雙管線混合渲染引擎與創新的“端—邊—云”協同計算框架，該系統為解決高品質沉浸體驗與終端算力之間的固有矛盾，提供了一條經過實證檢驗的可行技術路徑。在模擬高負載商業場景的實證分析中，系統在渲染性能、交互延遲及網絡穩定性等關鍵指標上均達到設計預期，證明了其在承載虛擬演播室、大型在線活動等復雜應用時的技術可靠性與優越性。未來，隨著5G-Advanced、AI生成內容等前沿技術的加速演進，虛擬現實與數字媒體的融合必將催生出更為豐富、智能的內容形態，本研究所奠定的技術框架將有望成為承載這些未來新范式的重要基礎設施。

參考文獻：

[1] 郭陽，李昆昆，于春雨，等.超大型三維場景分布式渲染系統體系結構與技術研究[J].科技創新與應用，2022，12（17）：23-26.

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[3] 張愛，周令令.虛擬現實技術在數字媒體交互設計中的應用[J].電子元器件與信息技術，2024，8（11）：137-140.

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[5] 王純晨，包佳棟.數字時代非物質文化遺產創新設計研究[J].新傳奇，2024（41）：101-103.

[6] 楊雨. 基于虛擬現實技術的數字媒體藝術設計系統研究[J]. 大觀， 2024（7）： 109-111.

[7] 崔明陽.虛擬現實技術賦能數字媒體藝術設計高質量發展路徑研究[J].鞋類工藝與設計，2025（7）：71-73.

【通聯編輯：唐一東】