計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵點及應(yīng)用研究

孔瑤

關(guān)鍵詞：計算機；虛擬現(xiàn)實；應(yīng)用場景

1引言

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

2計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵點

2.1實物虛化

2.1.1構(gòu)建模型

虛擬環(huán)境模型是計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展各項應(yīng)用活動的重要依托，用戶持續(xù)采集并向軟件中導(dǎo)人有關(guān)指定現(xiàn)實環(huán)境的全部三維數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)進行一系列預(yù)處理加工，篩除重復(fù)、失真數(shù)據(jù)，以確保預(yù)處理后的數(shù)據(jù)信息具備完整性、真實性。然后使用三維數(shù)據(jù)來搭建虛擬環(huán)境模型框架，按順序逐步設(shè)定空間尺寸、環(huán)境條件、氣候、實體結(jié)構(gòu)材質(zhì)等要素，對照并檢查虛擬環(huán)境模型和實際環(huán)境是否存在明顯出入，對不合理部位進行優(yōu)化調(diào)整，生成三維效果圖，即可完成模型構(gòu)建作業(yè)。最后，為提高虛擬環(huán)境模型的真實程度，可直接在模型中添加現(xiàn)實環(huán)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(xiàn)實環(huán)境物理元素，如結(jié)構(gòu)受力分布、材料材質(zhì)、氣候條件等[1]。

2.1.2空間追蹤

應(yīng)確保使用者在虛擬現(xiàn)實場景中能夠有效進行巡視檢查、生產(chǎn)加工等活動，以完成絕大多數(shù)同樣可在現(xiàn)實環(huán)境中開展的活動。在計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)體系中，必須應(yīng)用到空間追蹤技術(shù)，通過VR眼鏡、VR手套等硬件設(shè)備，持續(xù)感知使用者的身體狀況，在監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，持續(xù)變動使用者在虛擬現(xiàn)實場景中的空間位置，并在使用者移動位置時持續(xù)更新場景內(nèi)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(xiàn)實場景中的感官體驗需求，在系統(tǒng)中配備視頻攝像機、聲傳感器等硬件設(shè)備，以搭建視聽跟蹤子系統(tǒng)。同時，系統(tǒng)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(yīng)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(xiàn)實場景中，切實感受虛擬現(xiàn)實環(huán)境的質(zhì)感，需要應(yīng)用到視覺感知技術(shù)，持續(xù)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(huán)境、現(xiàn)實環(huán)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(yīng)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(shù)手段，以補全虛擬現(xiàn)實渲染技術(shù)短板[2]。

2.2.2聽覺感知

聽覺是虛擬現(xiàn)實場景的核心元素，根據(jù)場景類型來提供相應(yīng)的聲音渲染，起到烘托氛圍的作用。在早期計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用期間，普遍采取ITD同有時間尺度分解技術(shù)，把信號分解為若干固有旋轉(zhuǎn)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(shù)不具備單耳定位條件。隨著時間的推移，計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)日趨完善，當前主要采取HRTF音效定位技術(shù)或Inside-out內(nèi)向外追蹤定位技術(shù)。其中，HRTF技術(shù)根據(jù)時間差、聲壓差和濾波效應(yīng)特性來建立傳遞函數(shù)，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(shù)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(xué)追蹤原理來掌握虛擬現(xiàn)實環(huán)境變化情況，把實時監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)人SLAM算法中，以求解攝像頭空間位置。VR設(shè)備所配備傳感器數(shù)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(xiàn)實場景中開展各項行動時，VR設(shè)備向使用者反饋相應(yīng)的觸覺感知。例如，在駕駛車輛時感知到方向盤轉(zhuǎn)動阻力與身體晃動，在荒漠與灘涂等復(fù)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(shù)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(shù)。（1）力反饋觸覺操縱桿技術(shù)以折紙結(jié)構(gòu)作為操縱桿構(gòu)造形式，使用者既可以360°旋轉(zhuǎn)操縱桿來完成復(fù)雜操作行為，也可以通過觸摸操縱桿來感知虛擬環(huán)境中的物體軟硬程度。（2） VR Touch觸覺反饋技術(shù)是在VR設(shè)備上配備大面積的塑料材質(zhì)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(shù)在常規(guī)觸覺感知功能基礎(chǔ)上，額外提供冷熱感知功能，使用者可以切實體驗虛擬現(xiàn)實場景內(nèi)的環(huán)境溫度、物體溫度。（4）HaptX Gloves觸覺手套技術(shù)配備微型氣動執(zhí)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(wǎng)絡(luò)傳輸

在計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)體系中，網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)負責實時搜集使用者姿態(tài)信息、把監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋至VR設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)動作，打通VR設(shè)備與系統(tǒng)主機間的通信壁壘。根據(jù)實際應(yīng)用情況來看，在VR系統(tǒng)運行期間需要持續(xù)傳輸海量的數(shù)據(jù)信息，而傳統(tǒng)有線傳輸系統(tǒng)存在線路復(fù)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(yīng)用5G移動通信、交錯幀傳輸?shù)刃滦图夹g(shù)。（1）5G移動通信技術(shù)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(xù)廣域覆蓋下的體驗速率超過100Mbit/s，能夠滿足VR系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸需要。（2）交錯幀傳輸技術(shù)強調(diào)把畫面?zhèn)鬏攷譃榫o急更新畫面幀、重復(fù)使用畫面幀等多個類別，在VR系統(tǒng)運行期間，優(yōu)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(shù)據(jù)量還不到早期網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的1/2[4]。

3計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要應(yīng)用場景

3.1產(chǎn)品設(shè)計

在傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計模式下，由甲方提前提出對產(chǎn)品造型、使用功能、性能質(zhì)量等方面的要求，再由設(shè)計人員制定初步設(shè)計方案、繪制產(chǎn)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(chǎn)品投入正式生產(chǎn)，在生產(chǎn)期間判斷是否存在設(shè)計不合理等問題并加以改進。這一產(chǎn)品設(shè)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(tǒng)、設(shè)計方案可行性缺乏有效驗證手段而出現(xiàn)設(shè)計變更、產(chǎn)品返工等問題。

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

3.2VR教學(xué)

在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，學(xué)生的知識獲取來源較為單一，主要通過線下課堂進行學(xué)習(xí)，教學(xué)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(xué)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(xué)活動，教學(xué)效率、質(zhì)量得到一定提升，但實際提升幅度遠未達到預(yù)期要求。因此，各所高等院校需要有效結(jié)合計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)和傳統(tǒng)教學(xué)模式，在其基礎(chǔ)上構(gòu)建VR教學(xué)體系，為學(xué)生營造與現(xiàn)實環(huán)境基本一致的虛擬現(xiàn)實教學(xué)場景，用于開展各項專業(yè)教學(xué)工作。這既可以顯著提高教學(xué)質(zhì)量，避免因錯誤操作行為而出現(xiàn)安全事故，又可以把教學(xué)成本控制在合理范圍內(nèi)。例如，北京航空航天大學(xué)利用VR教學(xué)系統(tǒng)開展分布式飛行模擬練習(xí)教學(xué)活動，浙江大學(xué)建筑專業(yè)利用VR教學(xué)系統(tǒng)開展建筑虛擬規(guī)劃設(shè)計教學(xué)活動。

3.3醫(yī)療服務(wù)

在我國醫(yī)療行業(yè)發(fā)展期間，計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)療手術(shù)、患者康復(fù)治療、特殊病癥治療等場景中得到廣泛應(yīng)用，徹底改變了醫(yī)療服務(wù)及醫(yī)療診療模式，并推動我國醫(yī)療行業(yè)邁人全新發(fā)展階段。首先，在醫(yī)療手術(shù)環(huán)節(jié)，提前在VR系統(tǒng)內(nèi)營造虛擬手術(shù)環(huán)境，按照既定手術(shù)計劃開展模擬試驗，判斷術(shù)中情況、術(shù)后患者恢復(fù)效果是否理想。同時，還可以對患者內(nèi)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(xué)制定手術(shù)計劃。例如，美國邁阿密尼克勞斯兒童醫(yī)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(fā)現(xiàn)Teegan Lexcen嬰兒僅有一個肺與半個心臟，根據(jù)3D圖像來制定手術(shù)方案，術(shù)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(fù)治療環(huán)節(jié)，部分患者在術(shù)后短時間內(nèi)行動不便，如果長期臥床不起會延長恢復(fù)周期、影響身體恢復(fù)效果。在VR技術(shù)應(yīng)用中，患者佩戴觸覺手套等設(shè)備進行適量康復(fù)訓(xùn)練，由醫(yī)生根據(jù)患者情況在系統(tǒng)中設(shè)定訓(xùn)練量和訓(xùn)練強度，以避免過度訓(xùn)練而造成身體二次傷害。最后，在特殊病癥治療環(huán)節(jié)，醫(yī)生根據(jù)患者病癥來營造專屬的虛擬現(xiàn)實場景，幫助患者在受控、安全環(huán)境中直面自身癥狀。以恐懼癥為例，患者在虛擬現(xiàn)實場景中進行高處、飛行、公開演講等主題的脫敏性訓(xùn)練。

3.4設(shè)備運行監(jiān)測

在設(shè)備運行監(jiān)測場景中，VR技術(shù)可用于設(shè)備在線監(jiān)測、故障預(yù)測，幫助管理人員實時掌握設(shè)備運行工況，無需頻繁前往生產(chǎn)現(xiàn)場，這對提高設(shè)備管理效率、減輕工作負擔有著重要意義。首先，在設(shè)備在線監(jiān)測環(huán)節(jié)，在VR系統(tǒng)中接人現(xiàn)場安裝的溫度傳感器、壓力傳感器、攝像頭等終端設(shè)備，持續(xù)收集、處理現(xiàn)場監(jiān)測信號與更新虛擬現(xiàn)實場景，通過固定／移動3D模型的方式來展現(xiàn)設(shè)備運行情況，動態(tài)呈現(xiàn)位置、姿態(tài)、運行負載等要素的變化過程。同時，設(shè)立運行參數(shù)額定值和允許偏差范圍，若設(shè)備運行狀況異常，則由VR系統(tǒng)向管理人員發(fā)送報警信號。其次，在設(shè)備故障預(yù)測環(huán)節(jié)，VR系統(tǒng)具備強大的邏輯分析能力，通過設(shè)備的實時運行數(shù)據(jù)、歷史運行數(shù)據(jù)和同類故障案例，推演設(shè)備在未來一段日寸間的運行工況，若預(yù)測到可能會出現(xiàn)的故障問題，則提前修改設(shè)備運行方案、開展維護保養(yǎng)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(shù)的應(yīng)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(zhí)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(fā)現(xiàn)管理問題與采取改進措施。例如，在施工安全管理方面，結(jié)合VR技術(shù)與安全培訓(xùn)工作，在VR系統(tǒng)內(nèi)搭建工程現(xiàn)場虛擬現(xiàn)實場景，工程人員在場景內(nèi)沉浸式學(xué)習(xí)各項安全技能，參與火災(zāi)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(chǎn)生不必要的人員傷亡。而在技術(shù)管理方面，把施工技術(shù)方案導(dǎo)人VR系統(tǒng)內(nèi)并開展仿真模擬試驗，以判斷試驗結(jié)果是否達到工程建設(shè)目標，必要時更換工藝技術(shù)種類、調(diào)整技術(shù)標準。

4結(jié)束語

在新時代背景下，計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)在諸多行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到大規(guī)模應(yīng)用推廣，具備廣闊的應(yīng)用前景。工作人員都應(yīng)提高對計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重視程度，深入了解其技術(shù)組成部分和關(guān)鍵技術(shù)手段，結(jié)合實際需求來拓展技術(shù)應(yīng)用場景，將計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)、VR教學(xué)、醫(yī)療服務(wù)、設(shè)備運行監(jiān)測、工程管理等場景中做到落地應(yīng)用，使計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)的作用得到完全發(fā)揮。