虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)淺析

武瑞峰

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)就是由計(jì)算機(jī)生成逼真的虛擬環(huán)境，使用者借助先進(jìn)的接口設(shè)備，模擬人類的感知系統(tǒng)感知虛擬環(huán)境中的事物，并作出相應(yīng)反應(yīng)和動(dòng)作實(shí)現(xiàn)交互，目前主要的交互方式主要有視覺、觸覺、聽覺，嗅覺、味覺、方向感等尚在研究中。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；接口設(shè)備；沉浸感；創(chuàng)造性；交互性

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）是1989年由美國(guó)Jaron.Lanier 發(fā)明的，是指在電腦中人工構(gòu)造一個(gè)三維的虛擬環(huán)境，用戶借助一些接口設(shè)備“進(jìn)入”到虛擬環(huán)境中去，通過(guò)視覺、聽覺、觸覺等感官以自然的方式及時(shí)、充分地觀察、感知并干預(yù)三維空間內(nèi)的事物、環(huán)境，從而產(chǎn)生如同置身于相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的沉浸感，其實(shí)質(zhì)是高度逼真地模擬人在現(xiàn)實(shí)生活中視覺、聽覺、動(dòng)作等行為的交互技術(shù)。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。主要涉及的領(lǐng)域有計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等。它的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：如圖1所示，借助高科技手段在計(jì)算機(jī)中建立接近真實(shí)的或人主觀構(gòu)造的虛擬的環(huán)境；用戶借助接口工具或設(shè)備以自然的方式感知和干預(yù)虛擬環(huán)境中的事物。與傳統(tǒng)的交互方式相比，其顯著的特點(diǎn)是采用語(yǔ)音識(shí)別和動(dòng)作識(shí)別技術(shù)，使用戶可以感知虛擬的環(huán)境并干預(yù)環(huán)境。

圖1虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分為桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)，桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)是最易實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)是多個(gè)用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在同一個(gè)虛擬世界，共同觀察和操作，其應(yīng)用前景廣泛。增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)的典型特點(diǎn)是使真實(shí)世界與虛擬世界疊加以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的體驗(yàn)效果。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)可以提供更強(qiáng)的沉浸感。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

如圖2所示，一個(gè)典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、人體數(shù)據(jù)捕捉系統(tǒng)；輸入設(shè)備、輸出設(shè)備構(gòu)成。輸入輸出設(shè)備同屬于三維交互設(shè)備，設(shè)計(jì)和制造出性能優(yōu)越的三維交互設(shè)備是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵。

2.2虛擬系統(tǒng)制作流程

要實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)，首先要盡可能詳細(xì)、接近真實(shí)地表達(dá)出虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的幾何信息。這就需要詳盡的建模。目前常用的建模方法有：多邊形（三角形）網(wǎng)格表示方法、結(jié)構(gòu)立體幾何表示方法、體數(shù)據(jù)表示方法（volume-based method）及細(xì)節(jié)層次和紋理映射的方法。這些方法常結(jié)合使用。當(dāng)用存儲(chǔ)數(shù)據(jù)方法來(lái)構(gòu)建逼真的三維模型較為復(fù)雜且數(shù)據(jù)特別龐大的幾何數(shù)據(jù)時(shí)，常采用的紋理映射的方法。建模之前要進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及處理：通過(guò)空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、人體數(shù)據(jù)捕捉系統(tǒng)為虛擬環(huán)境建立數(shù)據(jù)支持（來(lái)自現(xiàn)實(shí)世界中的圖形、圖像、照片、及相關(guān)數(shù)據(jù)），把采集到的數(shù)據(jù)和照片進(jìn)行處理后進(jìn)行環(huán)境建模。

虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的開發(fā)流程為：利用3DS MAX等三維建模軟件進(jìn)行三維建模，展UV，導(dǎo)入PHOTOSHOP 中對(duì)三維立體模型進(jìn)行紋理貼圖和渲染。最后在VR的引擎完成交互制作。其制作流程如圖3所示。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)中關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)虛擬顯示的沉浸特性，系統(tǒng)必須具備人體的感官特性，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等。目前，虛擬仿真技術(shù)主要是視覺，聽覺和觸覺有所發(fā)展仍不夠真實(shí)，嗅覺和味覺尚在研究中。

3.1視覺生成技術(shù)及立體顯示技術(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類對(duì)客觀世界的感知信息75%～80%來(lái)自視覺，主要視覺生成設(shè)備為頭盔顯示器（Head Mounted Display， HMD）眼鏡式顯示器、雙目全方位顯示器（BOOM）等。

視覺生成基本原理為光線跟蹤的方法。即通過(guò)求出不同視點(diǎn)的光亮度，來(lái)生成完整的具有真實(shí)感的場(chǎng)景。因此，在構(gòu)造虛擬環(huán)境的過(guò)程中，首先要根據(jù)設(shè)計(jì)要求用三維建模軟件建立所需要的三維場(chǎng)景。再通過(guò)透視變換將三維場(chǎng)景轉(zhuǎn)換成二維的視圖。第三步是確定視圖中的可見面并利用隱藏面消除算法將視域之外的或被其他物體遮擋的不可見面消去。最后按照光學(xué)物理中光照模型計(jì)算可見面投射到觀察者眼中的光亮度和色彩，從而確定投影畫面上每一個(gè)象素的顏色，最終生成所設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)的視景，在視景制作中，最常用的的是紋理映射技術(shù)（texture mapping），就是利用三維建模軟件（3DSMAX和Maya等）建立簡(jiǎn)單的幾何模型，再在軟件中（PHOTOSHOP）貼上對(duì)應(yīng)的逼真圖片即可。

如圖4所示，目前的立體顯示技術(shù)基本上是基于雙目視差原理實(shí)現(xiàn)的。兩眼空間位置的不同，是產(chǎn)生立體視覺的主要原因。在虛擬環(huán)境中，由兩個(gè)虛擬觀察點(diǎn)分別透視投影，得到有雙目視差的兩個(gè)圖像。從而為體驗(yàn)者提供有雙目視差的圖像實(shí)現(xiàn)立體顯示，但目前還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)人類的深度感。

圖4立體顯示原理

3.2聲音生成技術(shù)

虛擬技術(shù)中的人-機(jī)-環(huán)境交互中需要生成逼真的三維聲音信息。主要方法是建立音源的數(shù)據(jù)庫(kù)、聲音的環(huán)境特性數(shù)據(jù)庫(kù)和方位脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)（HRTF Map）。然后通過(guò)三維聲音的實(shí)時(shí)處理合成：音源的生成、聲音與虛擬環(huán)境脈沖響應(yīng)的卷積處理、聲音與人耳濾波器的實(shí)時(shí)卷積、聲音的各分量疊加得到三維的虛擬聲音信號(hào)， 經(jīng) D/A 變換后送耳機(jī)輸出以實(shí)現(xiàn)三維的聲音信息。聽覺通道需解決的是為人的聽覺系統(tǒng)提供感覺置身于立體的聲場(chǎng)之中的、能識(shí)別聲音的類型和強(qiáng)度并能判定聲源的位置的接口。其技術(shù)難題在于合成由接口提供的虛擬聲音信號(hào)并使聲音在虛擬空間定位及發(fā)聲設(shè)備的問(wèn)題，目前主要采用立體音響和語(yǔ)音識(shí)別。

3.3 觸覺與力覺生成技術(shù)

觸覺通道的作用是當(dāng)人體在虛擬空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果接觸到虛擬物體，虛擬顯示系統(tǒng)應(yīng)該給人提供這種觸覺和力覺?，F(xiàn)有的VR系統(tǒng)中，已經(jīng)考慮了觸覺和力覺顯示。但是目前的技術(shù)還不能完全模擬真實(shí)的觸覺，只能用振動(dòng)來(lái)模擬觸覺部分效果。常見的力學(xué)反饋裝置為數(shù)據(jù)手套。

3.4身體位置跟蹤

目前主要有位置跟蹤技術(shù)主要有磁力追蹤、聲學(xué)追蹤、慣性追蹤。磁力追蹤通過(guò)衡量不同方向上磁場(chǎng)的強(qiáng)弱來(lái)實(shí)現(xiàn)。人位置跟蹤和映射常用的技術(shù)包括：機(jī)械鏈接、磁傳感器、聲傳感器、光傳感器等。

結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)最終需實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是虛實(shí)的一致性問(wèn)題，即我們能從虛擬環(huán)境中獲得和真實(shí)情境中同樣的感受，即獲得沉浸感和舒適度。為了實(shí)現(xiàn)虛擬顯示的沉浸特性，虛擬系統(tǒng)必須具備人體的感官特性，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等，目前，虛擬現(xiàn)實(shí)。目前虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)入了高速發(fā)展的時(shí)期，但依然存在以下問(wèn)題：

由于接口設(shè)備需通過(guò)線纜連接到計(jì)算設(shè)備上而限制使用者的活動(dòng)范圍；

設(shè)備笨重，容易產(chǎn)生疲勞和暈眩感；

還沒(méi)有模擬味覺、嗅覺的虛擬設(shè)備。

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