虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)化創(chuàng)新與工業(yè)應(yīng)用

文/遇實(shí)

2017年4月，虛擬現(xiàn)實(shí)“國際合作·開放共贏”高峰論壇大會(huì)在北京舉行，正式發(fā)布了我國虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域首個(gè)自主制定的標(biāo)準(zhǔn)。作為“十三五”國家標(biāo)準(zhǔn)化事業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)，該標(biāo)準(zhǔn)的建立將極大促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研發(fā)的規(guī)范性，推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展。

1.傳統(tǒng)繪圖到數(shù)字化體驗(yàn)的沿革

在相當(dāng)長時(shí)間里，圖紙一直是設(shè)計(jì)師與客戶溝通的重要工具，更是設(shè)計(jì)師表達(dá)設(shè)計(jì)內(nèi)涵、傳遞思想情感的重要途徑。如今，隨著立體化視覺體驗(yàn)的普及，三維效果圖逐漸代替各種概念化設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)師和客戶的溝通提供了極大的便利。五六年前有朋友就說：“現(xiàn)在光靠設(shè)計(jì)圖紙賣不動(dòng)了，但有三維效果圖就可以?！辈浑y看出，消費(fèi)者對(duì)設(shè)計(jì)行業(yè)的要求越來越高，三維效果呈現(xiàn)已經(jīng)成為普遍訴求。但是，靜態(tài)三維效果在溝通設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)表現(xiàn)方面仍存在著顯而易見的缺陷，客戶需要的并不是照本宣科、鎖定視角的呈現(xiàn)，而是具有帶入性、沉浸感的效果。

人們對(duì)感官體驗(yàn)的需求更加細(xì)膩和嚴(yán)格，無論是從畫質(zhì)規(guī)格還是立體效果，甚至是動(dòng)態(tài)游走，都提出了更多的想法與要求。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在這種訴求中悄無聲息地進(jìn)入了人們的視野。

2.智慧體驗(yàn)，可視化預(yù)知問題

數(shù)字圖像傳達(dá)技術(shù)和產(chǎn)品的出現(xiàn)，使客戶苛刻的提前體驗(yàn)訴求不再難以企及。今天，設(shè)計(jì)不再以冗雜的圖紙和單調(diào)的圖片為主要呈現(xiàn)方式，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的高速發(fā)展使買方超前沉浸式體驗(yàn)未來的產(chǎn)品成為可能，更為設(shè)計(jì)師提供了全息、互動(dòng)式設(shè)計(jì)所需要的技術(shù)支持，使用戶能夠更全方位、深層次地了解設(shè)計(jì)理念——這是一種實(shí)時(shí)、多方位的感官體驗(yàn)，用戶可以通過設(shè)備呈現(xiàn)的畫面與產(chǎn)品進(jìn)行互動(dòng)并給出實(shí)時(shí)反饋，且不受任何時(shí)間和空間的局限。

“如果產(chǎn)品換個(gè)顏色效果會(huì)怎樣呢？”

“如果將寬度拉長100mm，是不是更符合人體工程學(xué)？”

所有的溝通將會(huì)同步帶來更好更真實(shí)的產(chǎn)品體驗(yàn)。

設(shè)想一下，當(dāng)我們將要購置一套房產(chǎn)，不會(huì)只看到戶型圖就決定購買，而是想進(jìn)一步了解小區(qū)的地段、綠化等配套設(shè)施，還會(huì)思考怎樣裝修才能更好地滿足居住需求。而這一切，借助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，即可通過一款輕巧的頭戴設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)，用戶可以提前規(guī)劃裝修方案，預(yù)定房屋布局、家裝風(fēng)格，甚至可以即興為小區(qū)設(shè)計(jì)一下景觀，為開發(fā)商提出建設(shè)性意見。

這種技術(shù)，正以不可窮盡的諸多優(yōu)勢(shì)被一些極具前瞻眼光的企業(yè)接受、應(yīng)用，并借此實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)的顯著增長。對(duì)于某些類型公司而言，這是一種極具競(jìng)爭力的方式，能幫助更多的潛在客戶與優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品建立情感聯(lián)系。

3.PBR技術(shù)引領(lǐng)可視化體驗(yàn)

不可否認(rèn)，虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的創(chuàng)建會(huì)遇到很多技術(shù)難題，如何確保所創(chuàng)建場(chǎng)景的視覺真實(shí)性？除了更高級(jí)的硬件設(shè)備，還需要哪些技術(shù)突破？

與平面、三維等靜態(tài)展示方式不同，虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)依托于強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)硬件和穿戴設(shè)備，使用實(shí)時(shí)引擎搭建的復(fù)雜技術(shù)。它發(fā)揮更大應(yīng)用價(jià)值有一個(gè)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)前提，那就是復(fù)原的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景必須能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)實(shí)中相同的物理光照模式。行業(yè)中很早就有實(shí)時(shí)渲染的解決方案，但大多沒辦法做到逼真的效果，更不能隨意改變場(chǎng)景中的時(shí)間、燈光、物件等元素。

過去幾年，華航文化傳播（北京）有限責(zé)任公司（以下簡稱“華航文化”）致力于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用轉(zhuǎn)化研究，在多個(gè)項(xiàng)目中取得突破性成績，并獲得用戶認(rèn)可。例如，為了解決上述問題，完全還原現(xiàn)實(shí)中的光照計(jì)算，華航文化率先實(shí)踐了全球領(lǐng)先的PBR技術(shù)。“PBR”全稱為Physically Based Rendering，是一種基于物體表面材質(zhì)屬性的著色方法。與之前的Blinn-Phong等算法不同，PBR通過對(duì)物體表面的材質(zhì)屬性與周圍光照信息進(jìn)行著色計(jì)算。在它的著色系統(tǒng)中，物體不僅受光源的影響，還會(huì)受到周圍環(huán)境的影響，從而確保整個(gè)場(chǎng)景更加形象、真實(shí)。

在以前的實(shí)時(shí)渲染流程中，物體的光影和質(zhì)感只能通過視覺設(shè)計(jì)師一筆一筆繪制上去，畫面的效果完全取決于設(shè)計(jì)師的藝術(shù)修養(yǎng)，這無疑是一項(xiàng)巨大的工程。先不說高水平的設(shè)計(jì)師本身就極難培養(yǎng)，單是不同的人對(duì)藝術(shù)的理解也不盡相同。比如，當(dāng)我們想打造一件金屬質(zhì)感的物體，手工繪制的效果完全取決于設(shè)計(jì)師對(duì)材質(zhì)的主觀感受，不同設(shè)計(jì)師繪制同一產(chǎn)品的不同組件也可能產(chǎn)生較大偏差，在進(jìn)行整體組件時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)不能完全滿足設(shè)計(jì)的一致性，甚至與預(yù)期效果大相徑庭。

在先進(jìn)的PBR技術(shù)流程下，這些任務(wù)完全可以交由代碼去處理，開發(fā)者只要正確地給出物體的顏色、細(xì)節(jié)程度、表面信息值，就能編寫出完全寫實(shí)的物體，原來場(chǎng)景中的燈光、陰影、高光、反光、補(bǔ)光等難題迎刃而解，不僅大量減少了工作量，還可留給設(shè)計(jì)師足夠的時(shí)間對(duì)最終效果調(diào)優(yōu)。

PBR技術(shù)能夠給項(xiàng)目制作、特效呈現(xiàn)以及CG帶來許多有益的進(jìn)步，它為開發(fā)者帶來了一個(gè)能夠提升視覺特效的整體框架。在基于PBR的體系當(dāng)中，無論是經(jīng)由Shader實(shí)現(xiàn)的光照、陰影或者色彩變化，還是物體表面的材質(zhì)特征都將得到提升。同時(shí)，基于CG特效的影像制作過程也將會(huì)更加高效和準(zhǔn)確。

4.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，虛擬場(chǎng)景從無到有

在為騰訊公司提供技術(shù)支持的“武漢學(xué)院實(shí)景虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)”方案中，PBR的技術(shù)價(jià)值展現(xiàn)可謂淋漓盡致。武漢學(xué)院占地1000余畝，總建筑面積45萬平方米，校內(nèi)亭臺(tái)樓閣眾多、花草繁茂，達(dá)到完全復(fù)原校內(nèi)景觀并供參觀者隨處游覽的效果，幾乎是不可能完成的任務(wù)，而騰訊方面在此基礎(chǔ)上提出了更加嚴(yán)苛的要求：最終效果要比CG畫面預(yù)覽更加真實(shí)！

從專業(yè)角度看，虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)渲染效率是一大難點(diǎn)。這一點(diǎn)，通過一個(gè)橫向?qū)Ρ葦?shù)據(jù)即非常清楚：手機(jī)游戲流暢運(yùn)行，滿足30幀/秒便足夠；計(jì)算機(jī)等大屏實(shí)時(shí)渲染項(xiàng)目需要達(dá)到60幀/秒才不會(huì)出現(xiàn)卡頓；而虛擬現(xiàn)實(shí)的渲染需要達(dá)到90幀/秒才能夠保證流暢，并且是左右眼雙屏幕的同時(shí)刷新！當(dāng)幀速率過低時(shí)，會(huì)有明顯的眩暈感覺，對(duì)用戶體驗(yàn)產(chǎn)生極大影響。

為了將1000多畝的復(fù)雜實(shí)景實(shí)時(shí)顯示并達(dá)到幀速率要求，“流式加載方法”第一次被創(chuàng)造性地應(yīng)用，即當(dāng)進(jìn)入到虛擬場(chǎng)景時(shí)只需要預(yù)加載到雙眼可視區(qū)域，而被建筑物遮擋或可視范圍外的遠(yuǎn)處物體則抑制加載，這種方式極大地減少了程序啟動(dòng)負(fù)載，從而加快了實(shí)時(shí)渲染速度，極高的保證了用戶體驗(yàn)質(zhì)量。再如，園區(qū)的中式建筑風(fēng)格和眾多假山石包含大量細(xì)節(jié)，如果按照實(shí)際制作模型，系統(tǒng)將完全無法流暢運(yùn)行，為此，設(shè)計(jì)師以極高的操作難度將模型的多邊形數(shù)量降到最低，并將大量需要細(xì)化的模型以細(xì)節(jié)貼圖的方式表現(xiàn)，雖然加大了制作工作量，但確保了最終效果的完美呈現(xiàn)。

在貴陽大數(shù)據(jù)中心的“發(fā)動(dòng)機(jī)模擬”方案中，為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)特寫展示需求，結(jié)合Matcap渲染技術(shù)又進(jìn)一步拓展了PBR渲染的自由度，Matcap可以有機(jī)結(jié)合預(yù)先完成的設(shè)計(jì)方案，自由添加供金屬反射的高光、漸變，甚至反光板，以達(dá)到只有在專業(yè)攝影棚才能得到的展示效果。在模擬大數(shù)據(jù)收集特效時(shí)，CG影視特效制作流程也被創(chuàng)新性地引入到虛擬現(xiàn)實(shí)制作中，使特效能夠在力場(chǎng)的作用下進(jìn)行自由流動(dòng)和收集，并將精準(zhǔn)計(jì)算后的渲染成果在顯卡的GPU上實(shí)例化呈現(xiàn)，虛擬場(chǎng)景中可以同時(shí)計(jì)算上萬條粒子流，兼顧了畫面效果和程序運(yùn)行效率。

人類的單眼水平視角最大可達(dá)156度，雙眼的水平視角最大可達(dá)188度。當(dāng)把虛擬攝像機(jī)視角與人眼視角相匹配時(shí)，并不能完全使用戶感到舒適?；谌搜蹣?gòu)造，視野的中心是人們感受最敏感的范圍，而余光所能感受的區(qū)域通常會(huì)被忽略。通過真實(shí)的模擬這一特點(diǎn)，采取邊緣模糊技術(shù)，則可以確保讓最清晰的圖像呈現(xiàn)在視角的中心區(qū)域，外圍區(qū)域逐漸減少細(xì)節(jié)。

人們都知道視野的中心區(qū)域?qū)?xì)節(jié)非常敏感，卻很少有人了解視野的外圍區(qū)域?qū)\(yùn)動(dòng)更加敏感。所以，對(duì)視野外圍區(qū)域相對(duì)運(yùn)動(dòng)的處理更加重要。為了解決這一難題，“加速度視野”又一次被提出，即當(dāng)體驗(yàn)者靜止不動(dòng)時(shí)可以看到靜態(tài)的全景畫面，而當(dāng)體驗(yàn)者開始行走或急速前進(jìn)時(shí)視野的外圍會(huì)逐漸變暗乃至完全顯示黑色，避免雙眼被高速運(yùn)動(dòng)的畫面干擾，可以將注意力完全投放于相對(duì)運(yùn)動(dòng)較小的視野中心區(qū)域，最大限度減少眩暈現(xiàn)象。

通過上述幾個(gè)案例，可以清楚看到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在場(chǎng)景效果模擬、設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)更替方面的前沿性。PBR技術(shù)體系與“流式加載方法”的結(jié)合為整套實(shí)景漫步方案提供了最優(yōu)效果，而其與Matcap渲染技術(shù)的有機(jī)結(jié)合則能進(jìn)一步提高畫面質(zhì)感及細(xì)節(jié)真實(shí)度。可見，虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的技術(shù)拓展升級(jí)是沒有止境的，其前景和應(yīng)用范圍更無可限量。

伴隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的飛速增長和硬件成本下降，虛擬現(xiàn)實(shí)這一極具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的技術(shù)將有更多機(jī)會(huì)進(jìn)一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)踐地域，在工業(yè)規(guī)劃、工業(yè)產(chǎn)品演示、工業(yè)仿真、科普教育、智慧展館、醫(yī)理演示等方面得到普遍性應(yīng)用，為科技的快速高效發(fā)展，文化的包容互利做出貢獻(xiàn)。