虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

曹海樂(lè)，于海濤

（中科奇創(chuàng)（天津）科技有限公司，天津 300309）

自從計(jì)算機(jī)發(fā)明以來(lái)，計(jì)算機(jī)一直是傳統(tǒng)信息處理環(huán)境的主體，它只具有在數(shù)字化的單維信息空間中處理問(wèn)題的能力。而事實(shí)上，人類是依靠自己在多維化的信息空間中認(rèn)識(shí)問(wèn)題。因此，人們需要突破現(xiàn)有單純信息渠道建立一個(gè)多種信息源的信息空間。虛擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的，通過(guò)視、聽(tīng)、觸覺(jué)等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境感覺(jué)的交互式視景仿真。

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用是具有可行性。如何在各個(gè)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)高效體驗(yàn)是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

1 研究背景

美國(guó)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)源地，它的研究水平一直走在國(guó)際前列，所研發(fā)的技術(shù)也被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。目前軍事領(lǐng)域和航空領(lǐng)域是應(yīng)用最多的領(lǐng)域。在歐洲，英國(guó)在 VR 開(kāi)發(fā)的分布并行、輔助設(shè)備設(shè)計(jì)方面也是領(lǐng)先的。

歐洲其他一些發(fā)達(dá)國(guó)家也相繼進(jìn)行 VR 的研究。在研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的各個(gè)國(guó)家中，日本是處于領(lǐng)先的地位，其中對(duì)嗅覺(jué)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了很大的影響。

與其他一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，我國(guó)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究起步相對(duì)晚一些。例如：研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的北京航天航空大學(xué)，它是最早研究這個(gè)技術(shù)的。其次“布達(dá)拉宮”是由清華大學(xué)研究中心所作。

還有哈爾濱工業(yè)大學(xué)成功模擬出人虛擬合成技術(shù)，包括人臉合成、表情和唇部的合成等。除了高等學(xué)府對(duì)此的研究外，國(guó)內(nèi)一線城市北京、廣州、深圳等地區(qū)的科技公司都在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作出了優(yōu)秀的產(chǎn)品。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)分類及其研究路線

虛擬現(xiàn)實(shí)是多種技術(shù)的綜合，其主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面，如圖1所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)研究路線

（1）影像制作技術(shù)：虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

（2）人機(jī)交互技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)交互遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鍵盤和鼠標(biāo)的傳統(tǒng)模式，多元感知交互技術(shù)成為了重要研究?jī)?nèi)容，通過(guò)對(duì)人體器官的不同應(yīng)用，利用體感、紅外激光、移動(dòng)設(shè)備等用于監(jiān)測(cè)用戶行為動(dòng)作的設(shè)備主觀控制虛擬影像的播放與切換，從而達(dá)到體驗(yàn)者實(shí)時(shí)感受虛擬環(huán)境，提高了環(huán)境的渲染逼真度和系統(tǒng)的靈活性。

（3）多元顯投技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力依賴與立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)拼接融合圖像完成虛擬影像自動(dòng)適應(yīng)物體表面，針對(duì)不規(guī)則的表面物體，利用位置定位和視線追蹤技術(shù)捕捉體驗(yàn)者動(dòng)作信息，從而反饋給系統(tǒng)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)研究的問(wèn)題和解決策略

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬影像制作開(kāi)發(fā)中，由于虛擬環(huán)境中的模型、材質(zhì)、貼圖等的復(fù)雜性，導(dǎo)致渲染時(shí)間長(zhǎng)，項(xiàng)目時(shí)間的難以把控，同時(shí)在人機(jī)交互過(guò)程中，應(yīng)用的輸入、輸出設(shè)備的限制性，以及每個(gè)體驗(yàn)者的不同體態(tài)特征，導(dǎo)致交互設(shè)備無(wú)法達(dá)到每一個(gè)體驗(yàn)者的最佳舒適度，以此帶來(lái)的眩暈感將會(huì)是解決的一個(gè)難題。在場(chǎng)館里虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的多樣性，也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)集成兼容性降低。針對(duì)上述系統(tǒng)研究過(guò)程中所面臨的難點(diǎn)，提出以下三種解決方式。

（1）提出三維環(huán)境結(jié)構(gòu)自動(dòng)高精還原技術(shù)，快速完成三維環(huán)境構(gòu)建，提高還原效率。

（2）實(shí)時(shí)人機(jī)交互技術(shù)：通過(guò)多個(gè)感官通道模擬逼真實(shí)世界，迅速為用戶提供實(shí)時(shí)的眼、耳、身體所能感受到的感受信息。

（3）開(kāi)展3D打印和設(shè)備自主設(shè)計(jì)，提高硬件設(shè)備的重新開(kāi)發(fā)技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)。

系統(tǒng)并行處理圖像數(shù)量大于5張；

系統(tǒng)平均處理每幀圖像的時(shí)間小于1秒；

三維場(chǎng)景還原中，能夠得到亞像素級(jí)的圖像采樣點(diǎn)準(zhǔn)確度和0.5個(gè)條紋寬度的圖像采樣點(diǎn)密度；

在三維模型自動(dòng)還原中，物體的材質(zhì)分辨率大于1024*1024；

在虛擬場(chǎng)景渲染中，系統(tǒng)所采用渲染幀率大于30幀/秒；

在人機(jī)交互過(guò)程中，為了更廣闊的視野和更高的分辨率，最佳的虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸式視野136°和2560*1440像素的顯示器，更能給用戶帶來(lái)滿足感。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

通過(guò)影像制作技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、多元顯投技術(shù)和智能管控技術(shù)開(kāi)發(fā)研究相關(guān)領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)交互產(chǎn)品等。主要分布在新媒體交互式教育類、特色創(chuàng)意文化旅游類、大數(shù)據(jù)可視化健康服務(wù)類。

以上述關(guān)鍵性技術(shù)為支撐，研發(fā)三大領(lǐng)域的交互性產(chǎn)品，如特種影院的3D電影、兒童科普體驗(yàn)中心的科普教育項(xiàng)目地理沙箱、人體異型投影、腦圖譜異型投影、繪畫動(dòng)物園、觸控魚等；全息投影、體感面具、建筑投影、移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、大型增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)出發(fā)，闡明了虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)的研究系統(tǒng)和關(guān)鍵突破點(diǎn)，有效提高了用戶體驗(yàn)滿意度。通過(guò)三維仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境和物體的還原，利用投影儀或顯示器等方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，并依據(jù)系統(tǒng)集成平臺(tái)將各種體驗(yàn)設(shè)備相連接，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)備管理。該研究成果已經(jīng)應(yīng)用到了實(shí)際項(xiàng)目研究中，充分驗(yàn)證了其正確性，具有一定的研究和實(shí)用價(jià)值。