VR系統(tǒng)中圖形渲染和視覺傳達(dá)研究設(shè)計(jì)

曹碩 沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院

隨著科技的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)水平也隨之不斷提高，而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的VR系統(tǒng)通過呈現(xiàn)出具有真實(shí)感的模擬環(huán)境為人們帶來豐富多彩的感受，人們通過圖形渲染技術(shù)將腦海中想象的圖像通過計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)出來，同時(shí)結(jié)合立體視覺原理更完美地展示虛擬空間。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)介紹

所謂的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)際上是一種高新技術(shù)，它的核心是運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，在生成的虛擬世界中，運(yùn)用多投影的環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)中的頭戴設(shè)備，在物理的環(huán)境中利用傳感器作為道具而制作出仿真的圖像、傳神的聲音，使用戶在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生真實(shí)的感覺。在使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備在虛擬世界中操作時(shí)，要同時(shí)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在里面移動(dòng)，也可以和虛擬世界中的產(chǎn)品進(jìn)行交流互動(dòng)，虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最重要的設(shè)備，它是由頭戴式顯示器所組成的，它能利用光學(xué)系統(tǒng)將普通顯示器中形成的圖像經(jīng)過處理放大，將所產(chǎn)生的圖像在更遠(yuǎn)的地方顯示，而達(dá)到幾米或者數(shù)十米以外的效果。這種效果還可以通過另一種方式來達(dá)到，在帶有很多大屏幕的空間運(yùn)用專門的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。在以往的計(jì)算機(jī)界面中，大多是通過鼠標(biāo)、鍵盤以及圖形顯示界面來操作，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)除了擁有這些功能外，還能使用戶達(dá)到身臨其境的感覺。用戶在虛擬現(xiàn)實(shí)世界中，能夠和形成的三維立體場景進(jìn)行互動(dòng)，充分感受虛擬世界的真實(shí)感。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以用戶達(dá)到沉浸感為最終目標(biāo)，而這種目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要VR系統(tǒng)以及視覺交互兩種方法相配合來完成。在VR系統(tǒng)中，會(huì)形成一個(gè)具有真實(shí)感的虛擬世界，而這些真實(shí)感是緣于虛擬世界中所構(gòu)建的物體立體感和儀式感，運(yùn)用所有感官的所有可能性去感知虛擬世界。

二、基礎(chǔ)圖形渲染管線流程的研究

（一）渲染管線

渲染管線，它以一個(gè)概念模型而存在于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)科中，如何使一個(gè)3D的場景在2D屏幕上體現(xiàn)，需要通過怎樣的圖形系統(tǒng)來操作，詳細(xì)地描述了操作的具體步驟，基礎(chǔ)圖形渲染管線，實(shí)際上就是數(shù)據(jù)的一系列處理過程，要想達(dá)到渲染圖像效果，運(yùn)用應(yīng)用程序中的一些數(shù)據(jù)來轉(zhuǎn)換。渲染的流程具體分三步，第一，將幾何圖形中的頂點(diǎn)、相關(guān)屬性數(shù)據(jù)在應(yīng)用程序的客戶端進(jìn)行設(shè)置；第二，將設(shè)置好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髦羞M(jìn)行二次處理，使處理結(jié)果輸出到下一階段；第三，在2D屏幕中得到渲染后的圖像。

（二）頂點(diǎn)處理與三維觀察

頂點(diǎn)處理與三維觀察的對象是在頂點(diǎn)緩沖區(qū)中存儲(chǔ)的輸入點(diǎn)，將這些輸入點(diǎn)進(jìn)行三維幾何的變換操作，而頂點(diǎn)處理時(shí)要將狀態(tài)調(diào)整為可編程程序。在對頂點(diǎn)處理進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，三維處理的對象要經(jīng)過轉(zhuǎn)換，使三維對象在對象空間中調(diào)取出來，最后轉(zhuǎn)換到裁剪空間中去。

（三）片元處理和輸出合并

在對圖像進(jìn)行光柵化處理之后，每個(gè)圖元就已經(jīng)生成了一組片元，而這些片元和像素網(wǎng)絡(luò)都能夠有一個(gè)對齊的位置，片元中的坐標(biāo)有顏色、深度、紋理和法線之分，它的這些屬性數(shù)值是通過進(jìn)行掃描轉(zhuǎn)換的過程中，通過線性插而形成的。在運(yùn)用以上的屬性值進(jìn)行片元處理時(shí)，要對每個(gè)片元的顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，這樣，才能使最終形成的圖像效果更佳。

三、立體視覺原理和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）立體視覺的基本原理

在VR系統(tǒng)中，立體視圖是其中最重要的環(huán)節(jié)，在虛擬世界中，人們所感受到的真實(shí)性則是由立體視圖所呈現(xiàn)的，而立體圖像的產(chǎn)生是成對的，一個(gè)人所注意到的物體的視覺角度，同一場景中的不同角度所產(chǎn)生的效果也不同。立體視覺相對于人類而言，它是一種雙目視覺效果，能夠給人們帶來一種深切的感知，這種視覺效果能夠在眼睛所關(guān)注的不同視角狀態(tài)下，呈現(xiàn)出不同的立體視圖來實(shí)現(xiàn)。而具有雙目重疊和光場的人類及動(dòng)作中大多具有這項(xiàng)能力。立體視覺是一種線性交叉原理，光在發(fā)生光源時(shí)，一小部分的光則通過物體的反射，射向與人眼相反的方向，當(dāng)光線較弱時(shí)，射入人的眼睛瞳孔中則消失。在此過程中，需要處理的信息有兩個(gè)，第一，進(jìn)入到人體眼睛中光源的位置；第二，在人眼視網(wǎng)膜中所產(chǎn)生的信息。

（二）眼睛跟蹤和校準(zhǔn)

人類大腦中要想出現(xiàn)正確的圖像，需要瞳孔和虛擬相機(jī)的位置重合來實(shí)現(xiàn)，在人眼中，瞳距大約有6.35厘米左右，如果觀察者在小于2.5英寸瞳距時(shí)，所觀察到的虛擬相機(jī)和觀察者瞳距距離之間存在差異，當(dāng)虛擬物體在顯示器上投射出其實(shí)際位置時(shí)，可以從相機(jī)的空心圓圈中看到，在人眼中所能看到的光線則是兩條直線來傳輸?shù)?，人們所看到的虛擬物體位置則是錯(cuò)誤的，這種情況下，則會(huì)使圖像形成扭曲。

（三）頭戴顯示實(shí)現(xiàn)方法及其光學(xué)系統(tǒng)

因?yàn)樵诙ń构鈱W(xué)系統(tǒng)中，如果對其視度進(jìn)行調(diào)節(jié)，會(huì)使視度具有放大性特點(diǎn)，這樣，將不能與雙目圖像形成一致，極易使觀察者出現(xiàn)眩暈現(xiàn)象，嚴(yán)重者還會(huì)形成重影。因此，面對這些技術(shù)上的缺陷，運(yùn)用一套使雙目放大率保持一致的光實(shí)方式，和智能手機(jī)進(jìn)行匹配，而此光學(xué)的外形結(jié)構(gòu)，則運(yùn)用三片透鏡來實(shí)現(xiàn)，這三片透鏡中要用兩片采用玻璃球面結(jié)構(gòu)，此類透鏡相對環(huán)保而且成本低；另一片透鏡要采用非球面結(jié)構(gòu)。

（四）光學(xué)圖像畸變與色差

在進(jìn)行視度調(diào)整時(shí)，只要使COC透鏡移動(dòng)，手機(jī)屏幕與眼睛之間的距離保持在66毫米。因?yàn)樵谡{(diào)節(jié)時(shí)，產(chǎn)生的焦距在發(fā)生著變化，就能使人們在不同的角度所看到視場角和屏幕的大小保持一致。系統(tǒng)中的變焦能夠使屏幕半視場在42毫米，而視場角在出瞳處停留在42±1度。

結(jié)語：現(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被應(yīng)用到各行各業(yè)中，但一些項(xiàng)目還在實(shí)驗(yàn)階段，要使VR系統(tǒng)更好地應(yīng)用到人們的生活中，圖形渲染和視覺傳達(dá)是必不可少的，對這兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行更深層次地研究，才能使VR系統(tǒng)得到更完美地運(yùn)用。