計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)及其應(yīng)用研究

劉 煒

(廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 511483)

0 引言

現(xiàn)代信息技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，人們的日常生活和工作對計算機(jī)和信息化的依賴程度越來越強(qiáng)，“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展時期，人們接受信息的渠道主要是網(wǎng)絡(luò)、廣播電視、媒體廣告等途徑，傳遞到用戶側(cè)的這些信息多是經(jīng)過加工后形成的抽象的信息，受信息環(huán)境和認(rèn)知等因素的影響，用戶無法真正理解信息中的意思，而借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以更好地實(shí)現(xiàn)人與計算機(jī)的交互。用戶可以借助計算機(jī)設(shè)備等進(jìn)入由計算機(jī)創(chuàng)建的虛擬化環(huán)境，并在虛擬環(huán)境中獲取真實(shí)的情感體驗(yàn)，了解很多現(xiàn)實(shí)生活中無法獲取的信息，通過計算機(jī)營造的虛擬世界，更好地理解和掌握相關(guān)知識和信息，為社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮更大的助力作用。

1 計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡稱VR技術(shù)，也被稱之為臨境技術(shù)，主要是借助計算機(jī)等設(shè)備，打造三維立體化的虛擬世界，具有沉浸式、交互式、實(shí)時性等特征。借助計算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互并能形成虛擬的圖像，給用戶帶來相對逼真的真實(shí)世界的體驗(yàn)感。在當(dāng)前技術(shù)的應(yīng)用中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與計算機(jī)圖形技術(shù)結(jié)合，能幫助人們了解計算機(jī)性能，更好地支持技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[1]。計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在應(yīng)用中與圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體、人工智能及傳感器等技術(shù)結(jié)合發(fā)展，結(jié)合計算機(jī)特性，給用戶帶來視覺、聽覺和觸覺等多方面的真實(shí)感受，讓用戶沉浸在計算機(jī)三維立體虛擬世界。同時，該系統(tǒng)還能識別用戶的肢體動作和語言，對用戶的行為動作進(jìn)行分析，并借助計算機(jī)與人類實(shí)時的交互，創(chuàng)造出真實(shí)感較強(qiáng)的多維信息空間，能打破時間和空間等因素的限制，讓用戶在三維虛擬的世界中體驗(yàn)真實(shí)世界無法感受的經(jīng)歷。

2 計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)分析

計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，主要是借助計算機(jī)模擬器模擬出與真實(shí)世界相似和相近的三維立體空間，讓用戶無法辨別環(huán)境是真實(shí)存在的還是虛擬假設(shè)的，且通過對用戶語言、手勢的數(shù)據(jù)信息的收集、分析，提升用戶的體驗(yàn)感[2]。技術(shù)具體應(yīng)用中的關(guān)鍵點(diǎn)主要包括以下幾個方面。

2.1 實(shí)物虛化

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)物虛化技術(shù)是基礎(chǔ)所在，該技術(shù)主要通過計算機(jī)對現(xiàn)實(shí)環(huán)境信息的轉(zhuǎn)化，構(gòu)建虛擬環(huán)境。

(1)構(gòu)建模型。要推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用，首先，必須建構(gòu)虛擬的環(huán)境，借助計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行建模[3]。一種是真實(shí)場景的建模，另一種是虛擬場景的建模，在真實(shí)場景構(gòu)建中，先要采集現(xiàn)實(shí)環(huán)境中真實(shí)完整的信息，虛擬場景建模需要以真實(shí)的場景為基礎(chǔ)，并結(jié)合實(shí)際的環(huán)境要求，獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)信息建立模型，這是虛擬現(xiàn)實(shí)得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。其次，虛擬環(huán)境的構(gòu)建過程中，需要考慮空間、元素等，形成三維效果圖，并借助計算機(jī)遙感技術(shù)等，添加對應(yīng)的照片，提升虛擬場景的真實(shí)性效果，在此過程中需要注意盡量保留現(xiàn)實(shí)生活中的物理元素，例如模擬對象的力度和材料等，讓用戶在接觸實(shí)物和環(huán)境體驗(yàn)過程中，獲得更加真實(shí)的感受，也可以設(shè)計添加一些相對不可控的元素，如環(huán)境、天氣等因素，使得用戶在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造的環(huán)境中有更強(qiáng)的體驗(yàn)感。

(2)空間追蹤。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人們的日常工作和生活中應(yīng)用比較廣泛，如VR游戲體驗(yàn)，體驗(yàn)者通過佩戴游戲頭盔等，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，完成系統(tǒng)要求的動作，進(jìn)入虛擬環(huán)境，在此過程中，頭盔等儀器設(shè)備可以看作是信息傳感器，借此實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境的聯(lián)系[4]。儀器設(shè)備包括光學(xué)設(shè)備、機(jī)械設(shè)備等，主要是由發(fā)射器及接收器等構(gòu)成，通過儀器可以控制虛擬世界，或者是完成運(yùn)動。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)手套可以對現(xiàn)實(shí)生活中拿東西的狀態(tài)進(jìn)行真實(shí)的模擬，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程中，需要掌握用戶的數(shù)據(jù)信息，讓技術(shù)應(yīng)用更加真實(shí)。

(3)視聽追蹤。視覺和聽覺是基礎(chǔ)的感官體驗(yàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用中，計算機(jī)視聽跟蹤系統(tǒng)的原理主要是在平面陣列中運(yùn)用視頻攝像機(jī)，確保跟蹤光投射到平面上。隨著時間的變化，影像也會隨之發(fā)生變化，通過此操作明確對象的具體位置。虛擬環(huán)境構(gòu)造中，精確度起著至關(guān)重要的作用，會影響到用戶的直接體驗(yàn)和感受。因此，在視聽追蹤的研究過程中，需要考慮具體的操作范圍，若單一的傳感器追蹤效果不顯著，可以使用多傳感器來提升技術(shù)的精確度，但具體需要綜合考慮操作難易度、系統(tǒng)成本等因素。

2.2 虛物實(shí)化

人們可以清晰地感受到現(xiàn)實(shí)世界事物的變化，借助計算機(jī)構(gòu)建虛擬世界，為了提升用戶的真實(shí)體驗(yàn)感，需要在虛擬的現(xiàn)實(shí)中融入真實(shí)的場景，并通過設(shè)備反饋給用戶[5]。

(1)視覺感知。實(shí)物虛化的過程中，用戶可以體驗(yàn)到物體對象顏色的變化，顏色是一種視覺感知，用戶體驗(yàn)中借助頭盔、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)眼鏡等設(shè)備，如直視型、投影等，具體可以根據(jù)實(shí)際需求選擇設(shè)備。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，立體現(xiàn)實(shí)技術(shù)比較常見，用戶在觀察事物時，存在視覺差，先將所看到的存在視覺差的兩幅圖傳遞給大腦，經(jīng)過大腦反饋后得到真實(shí)的視覺體驗(yàn)，這也同樣適用于虛擬現(xiàn)實(shí)中，立體現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要先處理呈現(xiàn)的影像，然后再反饋給用戶，通過一系列的操作提升用戶的實(shí)際體驗(yàn)效果。

(2)聽覺感知。用戶要融入虛擬環(huán)境，還需要加入聽覺元素，補(bǔ)充視覺體驗(yàn)中的不足。聽覺是虛擬世界必備的元素，聲音十分重要，如一些恐怖游戲和影視創(chuàng)作中，聲音渲染和烘托氛圍比視覺更加重要。聲音效果制作中，主要是借助ITD定位，計算聲音傳到用戶耳朵的時間差。應(yīng)用這種方法也存在缺陷，即無法實(shí)現(xiàn)單耳定位，現(xiàn)階段很多會使用相關(guān)傳遞函數(shù)描述聲音。如常見的HRTF聲音計算法，主要是根據(jù)濾波原理，對耳廓音效進(jìn)行模擬，最終實(shí)現(xiàn)單耳定位[6]。

(3)觸覺感知。觸覺感知更能體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的沉浸感，如虛擬駕駛中，通過方向的轉(zhuǎn)動讓用戶感受身體左右晃動，虛擬在沙漠中行走，涉及的觸覺感官更多，用戶會感受到相對比較吃力，觸碰到某些物體時也會有相應(yīng)的身體反應(yīng)。觸覺感知應(yīng)用中包括氣壓式、神經(jīng)肌肉模擬等方法。

2.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)

為更好地實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，首先要捕捉意圖，也就是通過計算機(jī)了解用戶的需求和想法，輸入對應(yīng)點(diǎn)信息，提升計算機(jī)捕捉技術(shù)水平，得出對應(yīng)的設(shè)計方案。其次是人物和環(huán)境的捕捉，包括人物的五官、外貌等感知，在感知的基礎(chǔ)上提供對應(yīng)的信息。在此基礎(chǔ)上，通過環(huán)境捕捉和渲染，打造真實(shí)的場景，在虛擬世界中渲染各類物體。最后是設(shè)計水平。為了確保用戶能清晰地表達(dá)自己的需求和想法，并能根據(jù)計算機(jī)系統(tǒng)的提示完成一系列的動作，可以采用為用戶提供線索信息等方式，采用敘事性的方式，激發(fā)用戶的興趣。因此，必須提升虛擬環(huán)境設(shè)計的水平[7]。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)形式

(1)動態(tài)環(huán)境建模。為滿足虛擬環(huán)境現(xiàn)實(shí)需要，通過數(shù)據(jù)分析，在虛擬世界模擬場景，并借助CAD技術(shù)、建模技術(shù)等完成數(shù)據(jù)獲取，最終形成更加全面完整的數(shù)據(jù)體系。(2)3D圖形生成。借助計算機(jī)信息系統(tǒng)，在多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累中，能實(shí)時根據(jù)需求形成所需要的圖形，技術(shù)應(yīng)用中要確保圖形刷新頻率為30幀，且需要圖形清晰完整，質(zhì)量符合要求，近年來隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的深入，刷新速度也越來越快[8]。(3)顯示器和傳感技術(shù)。需要了解三維顯示器等圖像、分辨率技術(shù)要求，并對設(shè)備的靈敏度、設(shè)備傳輸?shù)姆秶M(jìn)行不斷調(diào)整和優(yōu)化。

3 計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用分析

隨著現(xiàn)階段信息技術(shù)的不斷推進(jìn)，計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在多個領(lǐng)域得到了很大程度的應(yīng)用，并取得了一定的效果，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計、醫(yī)學(xué)發(fā)展、商業(yè)發(fā)展等領(lǐng)域。

3.1 產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用分析

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能控制產(chǎn)品設(shè)計的成本，優(yōu)化流程，從而提升效率。具體來講，首先，借助計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，產(chǎn)品設(shè)計流程更加簡化。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)過程比較復(fù)雜，存在很多不確定的因素，而通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，過程相對簡單，用戶提出具體需求，通過VR模擬體驗(yàn)后給出產(chǎn)品優(yōu)化的具體建議，從而簡化設(shè)計流程，提升設(shè)計的效率。其次，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，用戶可以不受外界環(huán)境的干擾，在非主觀引導(dǎo)的虛擬環(huán)境中真實(shí)地感受產(chǎn)品及其功能，有助于減少產(chǎn)品宣傳等支出。最后，可以改變原有的設(shè)計結(jié)構(gòu)固化的模式，給用戶提前帶來體驗(yàn)和感受，用戶可以在產(chǎn)品未生產(chǎn)之前了解具體的設(shè)計和應(yīng)用效果，且用戶直接參與設(shè)計過程，反饋?zhàn)陨淼恼鎸?shí)體驗(yàn)和感受，也能減少反復(fù)修改圖紙等過程。

計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)線中的應(yīng)用，具體體現(xiàn)在以下4個方面。(1)仿真管理。主要是虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互，通過數(shù)據(jù)指令的傳輸，系統(tǒng)借此模塊向用戶傳達(dá)指令，在虛擬環(huán)境創(chuàng)建和維護(hù)中有重要的作用，通過參數(shù)設(shè)計提升交互系統(tǒng)的適用性，并對參數(shù)進(jìn)行修正優(yōu)化，提升環(huán)境的穩(wěn)定性。(2)任務(wù)管理模塊。對產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)線進(jìn)行管理控制，確保虛擬作業(yè)的真實(shí)性。(3)引擎模塊。主要是對生產(chǎn)設(shè)計進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，及時獲取實(shí)際生產(chǎn)中系統(tǒng)模塊的故障問題，并模擬生產(chǎn)和設(shè)計中的問題，為后續(xù)的生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。(4)可選模塊。根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)實(shí)際需要，可以添加價格、評比等模塊，對不同設(shè)計理念和方案進(jìn)行比較，最終選出實(shí)用性最強(qiáng)、成本較低的方案。

3.2 醫(yī)療發(fā)展中的應(yīng)用

(1)計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在手術(shù)中的具體應(yīng)用?，F(xiàn)實(shí)虛擬技術(shù)交互性系統(tǒng)，可以對手術(shù)環(huán)境進(jìn)行仿真，醫(yī)護(hù)人員在虛擬的環(huán)境中模擬練習(xí)，提前熟悉手術(shù)流程，并可以還原手術(shù)現(xiàn)場、患者的臨床特點(diǎn)等，讓醫(yī)務(wù)工作者可以提前做好準(zhǔn)備工作，預(yù)先演練，減少后續(xù)手術(shù)中的失誤，提升手術(shù)的成功率。此外，還能結(jié)合不同手術(shù)及要求，對具體情況進(jìn)行多次練習(xí)，提前做好防范，對手術(shù)失敗后續(xù)的搶救及其他操作進(jìn)行提前設(shè)計。

(2)在患者康復(fù)治療中的應(yīng)用。患者在手術(shù)完成后，可能存在肢體無法正常運(yùn)動等問題，無法進(jìn)行正常的訓(xùn)練，部分患者無法發(fā)力等，會失去康復(fù)的信心。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，能有效解決這些問題，為患者提供虛擬的場景，患者可以先進(jìn)行輕微的動作訓(xùn)練，逐漸達(dá)到日常運(yùn)動中的效果。例如進(jìn)行輕輕抬腳的動作練習(xí)，在虛擬環(huán)境中則看到自己的跑步運(yùn)動，從而給患者帶來康復(fù)信心，并在訓(xùn)練達(dá)到一定水平后通過參數(shù)調(diào)節(jié)，逐步提升患者的運(yùn)動量，最終達(dá)到康復(fù)效果。此外，借助計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，能為患者營造康復(fù)治療的特定環(huán)境，避免患者和周圍人的密切接觸，轉(zhuǎn)移患者的注意力，通過不同康復(fù)環(huán)境的設(shè)計，為患者帶來積極的心理因素。整體來講，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)療事業(yè)中，在環(huán)境仿真和康復(fù)治療中發(fā)揮積極作用，具體使用過程，如圖1所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在康復(fù)醫(yī)療中的應(yīng)用

3.3 商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)購物改變了人們傳統(tǒng)的購物和消費(fèi)習(xí)慣，具有經(jīng)濟(jì)性和便捷性等特點(diǎn)。近年來網(wǎng)絡(luò)購物時效性等得到了很大程度的提升，但受網(wǎng)頁技術(shù)的影響，網(wǎng)上購物多是以圖片文字展示商品具體信息，消費(fèi)者通過這些圖文難以全面掌握產(chǎn)品的全面信息，且圖文瀏覽顯得煩瑣枯燥。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，可以創(chuàng)建與用戶互動交互的虛擬超市，讓消費(fèi)者仿佛置身在真實(shí)的三維購物環(huán)境中，使得網(wǎng)絡(luò)購物真實(shí)、有趣。計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合了傳統(tǒng)購物和網(wǎng)上購物的優(yōu)勢，能給用戶帶來全新的購物體驗(yàn)。

除此之外，計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)、科學(xué)研究及航空工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展中都產(chǎn)生了重要的作用。

4 結(jié)語

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為高新技術(shù)，通過計算機(jī)創(chuàng)建三維動態(tài)化的虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，給用戶帶來真實(shí)的體驗(yàn)。隨著科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展前景更加廣闊，要加強(qiáng)對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其實(shí)際應(yīng)用的研究，更好地推動技術(shù)革新和社會發(fā)展。