計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)淺析

羅術(shù)通 呂偉力

摘? 要：虛擬現(xiàn)實(shí)作為新時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，能夠幫助信息技術(shù)更好的發(fā)展，同時(shí)也是信息技術(shù)一種延伸。目前人們生活、工作中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都在發(fā)揮著作用，并且逐漸被人們接受、使用。隨著社會(huì)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)形成全新的信息產(chǎn)業(yè)。該文主要先說明虛擬現(xiàn)實(shí)的概念，然后說出虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，最后說明虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)? 虛擬現(xiàn)實(shí)? 關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（c）-0024-02

虛擬現(xiàn)實(shí)作為人類發(fā)展過程中出現(xiàn)的一種先進(jìn)技術(shù)，有著非常高的綜合性，是由多種技術(shù)綜合到一起所形成的，能夠通過計(jì)算機(jī)模擬衍生出一種真實(shí)環(huán)境，從而構(gòu)建出一個(gè)虛擬世界，用戶在這個(gè)世界中能夠感受到日常生活場(chǎng)景，也可以接觸到虛擬場(chǎng)景，其所構(gòu)建的世界并不是現(xiàn)實(shí)中能夠看到的，但是通過交互體驗(yàn)，人們能夠獲得最真實(shí)的感受。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)自身需要具有自主性、交互性等多種特點(diǎn)，如果要想提升虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)，就必須要抓住其中的重點(diǎn)問題，并且加以解決。

1? 虛擬現(xiàn)實(shí)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)又被稱之為VR，是近些年來隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)不斷發(fā)展所出現(xiàn)的一種全新產(chǎn)物，在當(dāng)代發(fā)展中開始逐漸被人們認(rèn)知，人們?cè)趨捑腚娮釉O(shè)備的情況下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)因?yàn)槠渚哂蟹浅：玫挠脩趔w驗(yàn)性，已經(jīng)逐漸被人們用于各方面，受到人們的關(guān)注，人們可以通過視覺、聽覺來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。虛擬現(xiàn)實(shí)的主要原理就是通過仿真技術(shù)來模擬生活場(chǎng)景、虛擬場(chǎng)景，能夠讓人們產(chǎn)生一種身臨其境的感覺，并且根據(jù)虛擬世界中的變化采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)，具有非常好的互動(dòng)體驗(yàn)[1]。

2? 虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)由兩部分組成，分別是實(shí)物虛化技術(shù)和虛物實(shí)化技術(shù)，將這兩種完美結(jié)合，才能夠讓人們有種真實(shí)的體驗(yàn)。

2.1 實(shí)物虛化技術(shù)

實(shí)物虛化技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)，將現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的信息轉(zhuǎn)化到計(jì)算機(jī)中，將其構(gòu)建成虛擬環(huán)境[2]。

2.1.1 模型構(gòu)建

如果想要保證虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠順利進(jìn)行，第一步就需要構(gòu)建虛擬環(huán)境，這就需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行建模，在建模過程中可以分為兩種，分別是真實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景，當(dāng)構(gòu)建真實(shí)場(chǎng)景時(shí)所采集的數(shù)據(jù)需要準(zhǔn)確，如果是構(gòu)建虛擬場(chǎng)景，就需要以真實(shí)場(chǎng)景作為參考進(jìn)行構(gòu)建，先根據(jù)想要構(gòu)建的環(huán)境獲取所需要的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)收集到數(shù)據(jù)構(gòu)建相應(yīng)的模型，這也是虛擬現(xiàn)實(shí)形成的基礎(chǔ)[3]。在構(gòu)建虛擬環(huán)境時(shí)，需要注意其空間、元素等多個(gè)方面，從而形成三維效果圖，在這過程中可以利用遙感技術(shù)能夠加入相對(duì)應(yīng)的照片，這樣能讓虛擬場(chǎng)景看上去更加真實(shí)，還需要在這過程中保留現(xiàn)實(shí)生活中一些物理元素，比如材料、力度等，更加真實(shí)地展現(xiàn)所需要的場(chǎng)景，讓人們?cè)谶\(yùn)動(dòng)或者是接觸時(shí)，能夠真實(shí)感覺到，還可以加入一些難以控制的元素，比如天氣、環(huán)境等，能夠讓人們?cè)谑褂锰摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)時(shí)更加具有體驗(yàn)感。

2.1.2 空間跟蹤

在我們生活中已經(jīng)存在很多虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，比如說在VR游戲中，人們只需要帶上專門配置的頭盔等儀器，就能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互，完成游戲所要求的動(dòng)作，這些設(shè)備就是信息傳感器，能夠?qū)F(xiàn)實(shí)和虛擬進(jìn)行有效聯(lián)系。儀器中系統(tǒng)主要可以分為光學(xué)和機(jī)械等多種類型，儀器大多數(shù)是由發(fā)射器、接收器和其他零件所構(gòu)成，人們?cè)谂宕鲀x器時(shí)，就能夠通過儀器控制虛擬世界中物體或者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。以VR手套為例，人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中去拿一件東西非常容易，但是在虛擬世界中如果操控鼠標(biāo)就會(huì)變得復(fù)雜，使用VR手套就能夠模擬現(xiàn)實(shí)取東西的狀態(tài)，顯得更加真實(shí)，在這過程中手套就需要充分了解用戶自身數(shù)據(jù)，從而方便用戶在虛擬世界中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)[4]。

2.1.3 視聽追蹤

人最基礎(chǔ)的感官就是視覺和聽覺，那么在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，就需要將視頻攝像機(jī)轉(zhuǎn)移到平面陣列中，跟蹤光就會(huì)投射在平面上，所出現(xiàn)的影像會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，這也就是視聽跟蹤系統(tǒng)的計(jì)算原理，這樣才能夠準(zhǔn)確地確定對(duì)象的位置。在虛擬世界中，精確度非常關(guān)鍵，這直接影響到用戶體驗(yàn)，在研究視聽追蹤時(shí)還需要在這過程中考慮到操作范圍，大多數(shù)視聽追蹤技術(shù)都是用單一傳感器，效果有待加強(qiáng)，雖然使用多傳感器會(huì)提升虛擬技術(shù)精準(zhǔn)度，但是同時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)難度，而且成本較高[5]。

2.2 虛物實(shí)化技術(shù)

人們?cè)谏钪心軌蚋惺艿缴磉吺挛锏淖兓?，?dāng)計(jì)算機(jī)構(gòu)建虛擬世界時(shí)，為了保證人們能夠獲得更加真實(shí)的體驗(yàn)，就需要在虛擬現(xiàn)實(shí)中加入真實(shí)場(chǎng)景，借助相應(yīng)儀器，將場(chǎng)景反饋給用戶。

2.2.1 視覺感知

將實(shí)物虛化后，人們能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)中感受到物體的顏色、變化，給予用戶非常逼真的體驗(yàn)，這些都是通過視覺感知所體現(xiàn)出來的，除去常見的頭盔裝置外，還有VR眼鏡、投影等多種設(shè)備，而且在這其中不僅有直視型，還有投影式等多種類型，用戶可以根據(jù)自身的需求自行選擇[6]。立體顯示技術(shù)也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中常見的一種技術(shù)，人們?cè)谟^看事物時(shí)，兩眼所看到的是具有視差的兩幅畫面，需要傳遞給大腦，然后進(jìn)行反饋，人們才能夠獲得真實(shí)的視覺體驗(yàn)，在虛擬現(xiàn)實(shí)中也同樣如此，立體現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)⑺尸F(xiàn)的影像經(jīng)過處理后反饋給用戶，增加用戶體驗(yàn)性。

2.2.2 聽覺體驗(yàn)

在虛擬世界中，如果要想真正地進(jìn)入到其中，還需要加入聽覺，這樣才能讓用戶感覺更加逼真，聲音可以很好地彌補(bǔ)視覺上的不足。特別是在一些必須需要聽覺的虛擬世界上，聲音非常重要，比如一些恐怖游戲，聲音渲染氣氛要比視覺重要的多。在制作聲音效果時(shí)，人們主要是通過ITD進(jìn)行定位，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算聲音到達(dá)兩耳的時(shí)間差，但是這種辦法有一定的缺點(diǎn)，無法進(jìn)行單耳定位，因此現(xiàn)階段大多數(shù)使用的是相關(guān)傳遞函數(shù)，用這個(gè)來描述聲音的傳播。其中一種較為常見的聲音計(jì)算法叫HRTF，利用濾波原理來模擬耳廓音效，并且能夠進(jìn)行單耳定位[7]。

2.2.3 觸覺感知

除了以上兩種還需要加入觸覺，這樣才能夠讓用戶沉浸其中，而且能夠體驗(yàn)出虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)。比如在進(jìn)行虛擬駕駛時(shí)，人們轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤可以感受到左右的晃動(dòng)。觸覺感官涉及較多，比如在沙漠中行走，會(huì)感覺到吃力，在觸碰到某物體時(shí)會(huì)有對(duì)應(yīng)的反饋。如果虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)缺少觸覺感知，那么人們?cè)谟|摸物體時(shí)就感覺不到相應(yīng)的效果?，F(xiàn)階段，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中增加觸覺比較常見的方法有氣壓式、神經(jīng)肌肉模擬等多種方法。

3? 虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)

3.1 意圖捕捉

這一環(huán)節(jié)主要是為了讓計(jì)算機(jī)能夠充分了解用戶想法，從而完成相應(yīng)的操作，能夠理解用戶所輸入的信息。雖然這方面研究已經(jīng)取得一部分進(jìn)展，意圖捕捉技術(shù)水平有所提升，但是現(xiàn)階段，這方面技術(shù)支持還不夠成熟，很多地方存在問題。

3.2 人物捕捉

這部分主要包括人物感知和用戶呈現(xiàn)，比如人物的外貌、五官等，為此提供一些相關(guān)的信息，由相關(guān)的應(yīng)用程序所采集的數(shù)據(jù)所構(gòu)成。這一部分是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中接觸最少，經(jīng)驗(yàn)最少的部分，目前還不能夠滿足人們的要求[8]。

3.3 環(huán)境捕捉和渲染

主要指的是感知和表現(xiàn)周圍環(huán)境的技術(shù)，目前在研究的公司有Next VR、Go Pro、Matterport，這種技術(shù)正在研究階段，也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)其中重要的組成部分。環(huán)境渲染是在環(huán)境捕捉基礎(chǔ)上，為用戶創(chuàng)造更加真實(shí)的場(chǎng)景，用于虛擬世界中各種物體的渲染。

3.4 設(shè)計(jì)水平

虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)具有一定的可用性，主要目的就是為了能讓用戶完整地表達(dá)出自己的想法和意向，并且能夠根據(jù)操作完成相應(yīng)的動(dòng)作。還具有一定的敘事性，為用戶提供相應(yīng)的線索、信息，給予用戶很好的體驗(yàn)，能夠激發(fā)用戶的興趣。

4? 虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)形式

4.1 動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

這種技術(shù)主要的目的就是為了能夠滿足現(xiàn)實(shí)的需要，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)在虛擬世界中模擬相應(yīng)的場(chǎng)景，將其獲得的數(shù)據(jù)可以通過CAD技術(shù)和建模技術(shù)完成，兩者合作能夠獲得更完整的相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2 即時(shí)3D圖形生成技術(shù)

3D圖形生成技術(shù)發(fā)展較為迅速，而且人們所掌握的經(jīng)驗(yàn)也較為豐富，主要是能夠?qū)崟r(shí)地根據(jù)要求形成相應(yīng)的圖形。針對(duì)這種情況，人們?cè)谘芯窟^程中就需要保證該技術(shù)的圖形刷新率需要保證在30幀/s，在保證圖形完整、質(zhì)量合格的基礎(chǔ)上，讓刷新速度變快是該技術(shù)的主要研究目的。

4.3 三維顯示和傳感器技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)和用戶之間的聯(lián)系主要是通過傳感器和顯示屏進(jìn)行，但是現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展并沒有達(dá)到相應(yīng)技術(shù)的要求。比如，頭盔反饋圖像過慢、顯示器分辨率沒有達(dá)到要求、設(shè)計(jì)沒有考慮全面等，設(shè)備的傳輸范圍和靈敏度都需要進(jìn)行調(diào)整。

4.4 程序研發(fā)工具

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的目的是能夠?yàn)槿藗兲峁┮粋€(gè)良好的環(huán)境，激發(fā)人們的創(chuàng)作能力和豐富人們的想象力，適當(dāng)運(yùn)用相應(yīng)的技術(shù)，就能夠提升計(jì)算機(jī)生產(chǎn)效率，保證程序應(yīng)用的質(zhì)量。所以，開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)就成為構(gòu)建虛擬世界的重要部分。

5? 結(jié)語

總體來說，隨著信息技術(shù)不斷的應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)正在改變著人們的觀念，讓人們對(duì)于空間、時(shí)間有了一個(gè)重新的認(rèn)知。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所應(yīng)用的范圍越來越廣，不僅在影視中，更出現(xiàn)在游戲、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域。雖然受到技術(shù)的限制，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還沒有發(fā)展成熟，但是隨著人們的不斷研究，在未來發(fā)展中虛擬現(xiàn)實(shí)必然會(huì)成為人們生活中的一部分，并且對(duì)人類的發(fā)展有著非常重要的影響。

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