虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其水利應(yīng)用研究

朱玉坤 沈林 李長松 馬曉兵

摘 要：本文對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義、特點(diǎn)、原理及應(yīng)用進(jìn)行簡要介紹，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行描述，提出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合展示防汛抗旱、水利工程信息的方案建議，以期為相關(guān)學(xué)者的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；建模；GIS；防汛

中圖分類號：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）08-0076-02

Research on Virtual Reality Technology and Its

Application in Water Conservancy

ZHU Yukun SHEN Lin LI Changsong MA Xiaobing

（Information Center of the Yellow River Water Conservancy Commission，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： In this paper， the definition， characteristics， principles and applications of virtual reality technology were briefly introduced， and the key technologies are described. A combination of virtual reality technology and GIS technology is proposed to demonstrate flood control， drought relief and water conservancy information. It is hoped that the research in this paper can provide a reference for the research of relevant scholars.

Keywords： virtual reality；modeling；GIS；flood control

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)涵

虛擬現(xiàn)實(shí)也叫虛擬實(shí)境（Virtual Reality），簡稱VR，也稱為靈境技術(shù)或人工環(huán)境，即使用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三度空間的虛擬世界，為用戶提供視覺、聽覺和觸覺等感官上的模擬，讓用戶如同身臨其境，不受限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。同時(shí)，在用戶進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，電腦可以進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，將精確的三維世界視頻傳回VR設(shè)備，使用戶產(chǎn)生臨場感。該技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)圖形、計(jì)算機(jī)仿真、人工智能、傳感、顯示及網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)[1]。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

①虛擬現(xiàn)實(shí)具有沉浸性。計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維場景可以使用戶如同身臨其境，就像在客觀世界中一樣，通過視覺、聽覺和觸覺體驗(yàn)場景中的模型。

②虛擬現(xiàn)實(shí)具有交互性。在虛擬場景中，用戶可以通過VR頭盔、手套等傳感器進(jìn)行交互，就像在客觀世界中操作一樣去觸摸、撞擊等。

③虛擬現(xiàn)實(shí)具有想象性。想象性是指使用者可以在虛擬場景中產(chǎn)生創(chuàng)造性思維。在虛擬場景中，用戶很容易提高對事物的認(rèn)知，獲得新想法、新知識。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的原理

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一般由計(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)及輸入和輸出設(shè)備組成。虛擬場景的真實(shí)性是提高虛擬現(xiàn)實(shí)效果的關(guān)鍵，這就要求盡可能詳細(xì)地建模。目前，一般采用多邊形（三角形）網(wǎng)格表示、結(jié)構(gòu)立體幾何表示、體數(shù)據(jù)表示及細(xì)節(jié)層次和紋理映射等方法進(jìn)行建模。建模之前要準(zhǔn)備實(shí)際圖像、照片等數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行處理。

1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以走群眾路線，深化在商業(yè)、教育、娛樂和虛擬社區(qū)中的應(yīng)用。企業(yè)將其產(chǎn)品發(fā)布成網(wǎng)上三維的形式，多維度展示商品；教育業(yè)引入計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI），在講解立體化的知識時(shí)，如原子、分子的結(jié)構(gòu)、分子的結(jié)合過程、機(jī)械的運(yùn)動(dòng)，三維的展現(xiàn)形式使學(xué)生更容易接受和掌握。此外，VR在醫(yī)學(xué)方面可以建立虛擬的人體模型，讓學(xué)生利用跟蹤球、HMD和感覺手套等設(shè)備了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu)；可在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行“尸體”解剖和各種手術(shù)聯(lián)系。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)還可以應(yīng)用在更廣泛的領(lǐng)域，如室內(nèi)設(shè)計(jì)，消防、電力、石油、礦產(chǎn)等方面的應(yīng)急推演，文物古跡模擬展示，以及船舶制作、地理監(jiān)測、軌道交通、橋梁建筑等方面。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在各行各業(yè)發(fā)揮巨大的作用。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)硬件及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基礎(chǔ)硬件

當(dāng)前，VR設(shè)備大致可以分為兩類：一是需要借助外部硬件協(xié)助運(yùn)算的，如Oculus Rift和HTC Vive，其需要連接一臺高性能電腦來運(yùn)行；二是依賴設(shè)備內(nèi)置硬件完成運(yùn)算的，如PicoNeo VR一體機(jī)、大朋VR一體機(jī)，這些VR眼鏡的特點(diǎn)是無需其他設(shè)備協(xié)助，能完全獨(dú)立工作。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 頭部跟蹤技術(shù)。頭部跟蹤即頭戴VR設(shè)備時(shí)，眼前的景象會隨著上下左右轉(zhuǎn)動(dòng)頭部而改變。通過6DSF（Six Degrees of Freedom）使頭部移動(dòng)轉(zhuǎn)化成x，y，z三個(gè)維度，以精確測量頭部的前后左右移動(dòng)的動(dòng)作。

頭部跟蹤系統(tǒng)內(nèi)有一系列不同的內(nèi)部組件，包括陀螺儀、加速計(jì)和磁力計(jì)等。Sony的PSVR還在頭盔上用到了9顆LED燈，加上PS4上的攝像頭監(jiān)視，可提供360°頭部跟蹤。Oculus雖然有20顆燈，但不如Sony的更有標(biāo)識度。

實(shí)現(xiàn)頭部跟蹤技術(shù)的關(guān)鍵是要降低延遲。將延遲降低到50ms以下更有利于在移動(dòng)時(shí)降低畫面的異步性。Oculus Rift可以將延遲降低到30ms。

2.2.2 動(dòng)作跟蹤技術(shù)。谷歌推出的Cardboard是將智能手機(jī)變成一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的原型設(shè)備，但相對于Cardboard，頭部跟蹤依然是VR頭盔最大的優(yōu)勢。但是，VR領(lǐng)域的動(dòng)作跟蹤功能也不容忽視。因?yàn)橛脩粼谑褂肰R頭盔的同時(shí)也希望看到自己的身體動(dòng)作。

體感控制器制造公司Leap的產(chǎn)品Leap Motion，中文名為“厲動(dòng)”，使用紅外線傳感器來跟蹤用戶的手部動(dòng)作，可追蹤10根手指，精度高達(dá)1/100mm。其遠(yuǎn)比現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)更為精確，只要揮動(dòng)一根手指即可瀏覽網(wǎng)頁、閱讀文章、翻看照片和播放音樂，只需使用指尖便可進(jìn)行繪畫、涂鴉和設(shè)計(jì)。但目前，常用的是來自O(shè)culus、Valve和Sony的輸入設(shè)備。

Oculus Touch采用了類似手環(huán)的設(shè)計(jì)，允許攝像機(jī)對用戶的手部進(jìn)行追蹤，傳感器也可以追蹤手指運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為用戶帶來便利的抓握方式。比如，在射擊游戲中可以通過扣下扳機(jī)來射擊。在控制器上，還有一系列的傳感器陣列來識別點(diǎn)擊、揮手等動(dòng)作。原理類似于Valve的Lighthouse定位跟蹤系統(tǒng)及HTC Vive的控制器原型：在房間里配置兩個(gè)基站，并將整個(gè)房間布滿激光，通過頭部和手上光電管傳感器相互碰撞的時(shí)間點(diǎn)來檢測頭部和手的位置。與Oculus Touch類似，Lighthouse也具備物理按鈕，在同一空間內(nèi)用兩套Lighthouse系統(tǒng)還可以進(jìn)行多用戶跟蹤。

其他輸入方式還包括從Xbox控制器上借鑒過來的控制器或者和計(jì)算機(jī)相連的控制桿、語音控制、智能手套及Virtuix Omni全向跑步機(jī)。

2.2.3 眼部跟蹤技術(shù)。眼球跟蹤技術(shù)是通過跟蹤瞳孔的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，算法能根據(jù)用戶注視的景物來變換景深，從而帶來更出色的沉浸體驗(yàn)。當(dāng)用戶注視近景時(shí)，遠(yuǎn)景就會變得模糊，當(dāng)注視遠(yuǎn)景時(shí)，近景就會變得模糊，這就是景深不同的體驗(yàn)。眼球跟蹤技術(shù)可以辨別用戶注視的焦點(diǎn)場景，從而模擬景深的變化，提高用戶體驗(yàn)。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

3.1 防汛應(yīng)用方案研究

基于GIS的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著非常廣闊的應(yīng)用前景。CityEngine是將三維場景和其他3DGIS內(nèi)容引入虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的工具，其可以通過手機(jī)和電腦兩種平臺創(chuàng)造VR體驗(yàn)。應(yīng)用CityEngine軟件將地形數(shù)據(jù)、正射影像和水情、雨情、工情等二維數(shù)據(jù)快速創(chuàng)建三維場景，通過Unity來支持HTC Vive等VR設(shè)備，經(jīng)過GIS與VR的交互可逼真地展現(xiàn)河流兩岸的地貌和工程，用戶可通過VR頭盔、眼鏡等設(shè)備進(jìn)行虛擬場景交互和導(dǎo)航。

為了提高性能，可以在Unity中啟用Single-Pass立體渲染。此外，CityEngine基于規(guī)則的性質(zhì)可以為幾何形狀創(chuàng)建不同的細(xì)節(jié)級別，如將較少的細(xì)節(jié)添加到遠(yuǎn)處的建筑物中。由于Unity的多平臺特性，很容易在多個(gè)平臺上部署VR體驗(yàn)。例如，其與HTC Vive和Oculus Rift兼容，還可以為Windows全息照相機(jī)添加Microsoft Hololens支持。

3.2 防汛系統(tǒng)開發(fā)研究

基于CityEngine的防汛系統(tǒng)可通過后臺數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)展示防汛抗旱中的工情、水情、雨情信息，便于對各項(xiàng)工程進(jìn)行查詢，周邊再輔以多種媒體信息，如工程背景介紹、標(biāo)段概況、技術(shù)數(shù)據(jù)和截面等，從而實(shí)現(xiàn)演示場景中的導(dǎo)航、定位與背景信息介紹等諸多實(shí)用、便捷的功能，滿足數(shù)字河流由二維GIS向三維虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化發(fā)展的需要。

系統(tǒng)可采用B/S架構(gòu)，共分為三個(gè)層次。底層為數(shù)據(jù)層，包括空間數(shù)據(jù)（如二維底圖、三維模型等）及其對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（如提防、險(xiǎn)工、控導(dǎo)等工程）；中間層即應(yīng)用層，包括GIS服務(wù)器（CityEngine服務(wù)器）及Web服務(wù)器的服務(wù)；客戶端即表現(xiàn)層，提供三維服務(wù)的在線顯示等。

參考文獻(xiàn)：

[1]章麗鴻，李琳.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和展望[J].中國科技期刊數(shù)據(jù)庫，2015（39）：239.