VR工作機理與關(guān)鍵技術(shù)分析

黃煦桐

摘 要 文章論述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）的工作機理和關(guān)鍵技術(shù)，對虛擬現(xiàn)實基本構(gòu)成、特征和技術(shù)概念進行科學(xué)的介紹，簡單說明了虛擬現(xiàn)實所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并進行分析，得出結(jié)論。

關(guān)鍵詞 VR；虛擬現(xiàn)實；工作機理；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號 TP3 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）222-0122-02

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（簡稱VR）是將人工智能，計算機圖形技術(shù)，跟蹤技術(shù)，顯示技術(shù)等前沿技術(shù)集成在一起的綜合模擬系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實主要是模擬一個三維空間的虛擬世界，讓參與者在視覺聽覺等感知方面身臨其境，沉浸在里面。虛擬現(xiàn)實已經(jīng)成為我國科技發(fā)展的趨勢，如果說90年代是網(wǎng)絡(luò)多媒體時代，那么21世紀(jì)就將是VR技術(shù)的年代。下面將對虛擬現(xiàn)實的工作機理和關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

1 VR工作機理分析

1.1 VR技術(shù)概念

VR是一門是由多種技術(shù)集合而成的前沿學(xué)科，包括多媒體技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多個復(fù)雜技術(shù)，極富挑戰(zhàn)性和創(chuàng)造力。參與者通過特制的傳感器，在視覺、聽覺、觸覺等感知系統(tǒng)的方面達到模擬真實的效果，形成一種虛擬世界。參與者依照自己的需要，在虛擬世界中進行操作，從而使自己沉浸在其中，到達人機交互的效果?？v使這周圍的環(huán)境并不真實存在，但仿真的三維世界可以使參與者身臨其境。

1.2 VR構(gòu)成要素

從文獻調(diào)研來看，傳感設(shè)備、感知、自然技能與計算機的模擬環(huán)境是構(gòu)成虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本構(gòu)成要素。

VR中的傳感設(shè)備是指三維交互設(shè)備。三維交互設(shè)備包括參與者身上穿戴的設(shè)備，比如數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、雙目全方位顯示器等。還有設(shè)置于現(xiàn)實環(huán)境中的傳感設(shè)備，比如CAVE洞穴式虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)，紅外跟蹤器等。

VR中的感知是指在理想的環(huán)境中具有人的感知功能，這通過包括由計算機圖形帶來的視覺，還包括環(huán)境中的聽覺、觸覺等。隨著多感知技術(shù)的發(fā)展，人們對嗅覺和味覺技術(shù)追求日趨強烈。但就目前的技術(shù)水平來說，因為受到傳感裝置的限制，能夠具有的感知功能僅僅限于視覺、聽覺、觸覺、運動等簡單的感覺，在嗅覺、味覺等復(fù)雜的方面還正在進一步的研究中。

VR中的自然技能是指人體動作，如頭部轉(zhuǎn)動、眼球運動、手部動作等，由計算機來感知人體技能并處理動作產(chǎn)生的對應(yīng)數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)反饋對用人體技能所產(chǎn)生的輸入信息做出實時響應(yīng)，讓虛擬現(xiàn)實應(yīng)用者有一種身臨其境的感覺，甚至在虛擬世界參與活動的過程中還可以與其他參與者進行溝通交流。

VR中的模擬環(huán)境是由計算機生成并模擬的三維立體圖像，需要逼真到視覺、聽覺、嗅覺和觸覺等的三維效果。生成的三維立體圖像可以來自于真實世界的圖像，也可以來自于自己想象的世界。

1.3 VR工作過程

VR的工作過程簡單來說可以分為以下三步：

第一步，運動的跟蹤。例如為了顯示精確的畫面，在你環(huán)顧你的四周時，顯示頭盔必須以亞毫米級的精度跟蹤你的頭部運動。這是通過各種內(nèi)置傳感器來實現(xiàn)的。有了這些傳感器提供的各種數(shù)據(jù)，顯示頭盔就可以跟隨頭部做出的任何運動。

第二步，全息投影。在已有的現(xiàn)實場景中建造一個新的環(huán)境，通過計算機成像技術(shù)把一些虛擬的抽象信息轉(zhuǎn)換成有形的具體的影像。

第三步，展示。例如在虛擬世界中，當(dāng)參與者改變自己的位置，處于新位置時，通過改變他所看到的信息，所聽到的聲音，甚至改變他手上的觸覺，例如從堅硬到柔軟，使參與者感知到位置周圍環(huán)境的變換。

1.4 VR特征分析

VR的特征主要有多感知性（Multisensory）、沉浸感（Immersive）、交互性（Interactive）、自主性（autonomous）和想象性（imaginative）等，其中沉浸感、交互性和想象性是3個最具典型的特征。

1）沉浸性（Immersive）是指借助計算機的輸出逼真的三維圖像，這種虛擬的環(huán)境與真實的客觀世界一樣，讓人有種身臨其境的感覺。

2）交互性（Interactive）是指基于計算機生成的虛擬環(huán)境下，充分借助一些傳感設(shè)備進行相互交互，讓人感覺就像是在客觀世界一樣，這也是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)最為至關(guān)重要的特征。過去的人們通過鼠標(biāo)鍵盤進行信息交互，而現(xiàn)在人們可以直接深入計算機所構(gòu)造的虛擬世界中與計算機進行交互。

3）想象性（imaginative）是基于計算機產(chǎn)生的虛擬環(huán)境和交互作用下，可以自發(fā)地獲取新知識，這樣不僅有助于提高感性認識，對人們的理性認識和主觀能動性也有一定提高，從而深化相關(guān)概念并可以萌發(fā)新的思想，因而可以說，虛擬現(xiàn)實人的創(chuàng)造性思維是具有啟發(fā)性作用的。

2 VR關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 動態(tài)建模技術(shù)

動態(tài)建模技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心，其主要是針對現(xiàn)實環(huán)境或想象模擬環(huán)境進行計算機模擬實現(xiàn)，其最終目的就是借助計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力將真實客觀環(huán)境和虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為三維立體虛擬環(huán)境。基于建模技術(shù)建立的虛擬環(huán)境雖然需要極大的內(nèi)存，但是便于操作和人機交互。目前的建模技術(shù)包括幾何建模、行為建模和物理建模。

2.2 計算機圖形技術(shù)

計算機圖形技術(shù)是一種借助強大的數(shù)學(xué)算法將傳統(tǒng)的二維/三維圖形轉(zhuǎn)化為能顯示的格式的科學(xué)。簡單地說，計算機圖形技術(shù)就是用計算機生成、顯示、繪制圖形的技術(shù)。計算機圖形技術(shù)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎(chǔ)，例如在模擬飛行過程中，對于圖像的生成和更新十分依賴，對于圖像的清晰度要求更高，這些都要依靠計算機圖形技術(shù)實現(xiàn)。

2.3 立體顯示技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的目的就是展示三維立體世界，該技術(shù)的本質(zhì)是利用眼睛對立體視覺差產(chǎn)生的綜合神經(jīng)反射，通過光學(xué)技術(shù)為眼睛提供兩幅具有特定位差的圖像，這樣人們便可以在視覺和心理的反應(yīng)等角度產(chǎn)生三維立體感覺。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，正是利用該視覺差原理，將兩副具有特定位差的圖像借助顯示器分別呈現(xiàn)給人們的左眼和右眼，因此便能獲得實際的3D感覺體驗。參與者的兩只眼睛看到的圖像是通過立體顯示技術(shù)呈現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實的眼鏡上，通過特定的技術(shù)，使得兩只眼睛都只能看到奇（偶）數(shù)幀的圖像，因而產(chǎn)生了立體感。立體顯示主要有以下幾種方式：雙色眼鏡、主動立體顯示、被動同步的立體投影設(shè)備、立體顯示器等高級設(shè)備。

2.4 視覺跟蹤技術(shù)

視覺跟蹤技術(shù)是借助計算機技術(shù)對運動目標(biāo)進行特征檢測、特征提取、運動識別和運動跟蹤，進而通過算法獲得運動參數(shù)。在獲取運動參數(shù)之后，視覺跟蹤技術(shù)便可在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合作用下進行下一步的處理與分析，實現(xiàn)對運動目標(biāo)行為的理解與解析，以完成后續(xù)更高層次的跟蹤任務(wù)。在虛擬世界中，每個物體都有自己的位置，而參與者也有自己的位置。參與者所面對的景象就是通過追蹤參與者的頭部的方向來確定的。

2.5 多感知技術(shù)

多感知技術(shù)包括手勢控制、語音命令、眼球追蹤和面部識別等。其中發(fā)展成熟的有語音命令、面部識別和接觸式手勢控制，且均已得到了廣泛應(yīng)用，而眼球運動追蹤和非接觸式手勢控制技術(shù)近些年也得到了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)注。例如在虛擬現(xiàn)實的系統(tǒng)里，參與者要抓取面前的蘋果，如果沒有感知技術(shù)（在體驗手套里安裝可以振動的觸點來模擬觸感），那么參與者的手就會穿過蘋果，這在現(xiàn)實生活中是不存在的。

2.6 語音輸入輸出技術(shù)

語音輸入輸出技術(shù)是指將人的語音信息直接輸入和輸出虛擬世界與真實世界，參與者通過語音技術(shù)在虛擬環(huán)境中也能同其他參與者自由交流。在現(xiàn)實生活中，聲音傳來的方向根據(jù)頭部的轉(zhuǎn)動而改變。但目前在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，聲音的方向與參與者頭部的轉(zhuǎn)動沒有關(guān)系。語音識別技術(shù)是我國的發(fā)展技術(shù)語音識別技術(shù)所涉及的領(lǐng)域包括：信號處理、模式識別、人工智能等。

3 結(jié)論

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種人機交互技術(shù)，它將成為下一代人機交互技術(shù)發(fā)展的趨勢。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將走向成熟和變得有藝術(shù)性。相信在不久的將來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將在人們的日常生活中普及，給人們提供便利，成為一種全新的信息處理技術(shù)。

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