計算機技術(shù)提高虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用效果分析

劉 陽

（哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

隨著我國信息技術(shù)的高速發(fā)展，云計算、大數(shù)據(jù)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的興起在一定程度上推動我國社會經(jīng)濟發(fā)展，為我國人民群眾日常生活帶來諸多便利。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在我國各個領(lǐng)域的應(yīng)用不僅有效提高企業(yè)經(jīng)濟效益，還能夠減少人為失誤對技術(shù)研發(fā)造成的影響。為了進一步解決虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實際應(yīng)用中存在的現(xiàn)實問題，需要加強計算機技術(shù)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的應(yīng)用力度。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)特點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要依托于計算機仿真以及網(wǎng)絡(luò)并行處理技術(shù)為有關(guān)人員開展相關(guān)工作提供決策支持。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有以下三大特點：

1.1 構(gòu)想性特點

依托虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠幫助使用者在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中從多個維度看待事物或者現(xiàn)實世界。作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵特點，構(gòu)想性還體現(xiàn)在安全管理以及運維方面。以施工企業(yè)為例，由于建筑工程施工會受到技術(shù)變更、環(huán)境因素影響，因此各項施工環(huán)節(jié)開展需要管理人員從多個維度進行綜合考量。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠根據(jù)現(xiàn)有施工數(shù)據(jù)信息構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型，幫助技術(shù)人員測試在不同施工技術(shù)以及施工環(huán)境下建筑工程整體結(jié)構(gòu)受力情況并構(gòu)建有限元云圖，進而幫助技術(shù)人員找到最佳施工策略[1]。

1.2 交互性特點

交互性最為應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的直接體現(xiàn)，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠幫助使用者構(gòu)建虛擬環(huán)境，并通過向計算機系統(tǒng)輸入指令的方式做好相關(guān)配置。此時技術(shù)人員要想實施控制虛擬環(huán)境中的某一對象，則可利用肢體動作、語言動作及眼神動作對其靈活操控[2]。而虛擬現(xiàn)實設(shè)備中的運動傳感器、聲音傳感器以及動捕系統(tǒng)則會根據(jù)使用者行為變換實時傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)對虛擬場景對象的有效控制。

1.3 沉浸性特點

沉浸性特點體現(xiàn)在使用者需要通過佩戴虛擬現(xiàn)實裝備的方式與虛擬世界構(gòu)建信息交流渠道。此時使用者的聽覺和視覺都會轉(zhuǎn)移到虛擬場景中，暫時切斷與外界的聯(lián)系。正因為虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠為使用者帶來沉浸性的體驗，才能夠引導(dǎo)使用者依托虛擬環(huán)境在現(xiàn)實生活中作出相關(guān)動作。幫助使用者觀察以及預(yù)測現(xiàn)實生活中某些決策落實后可能會出現(xiàn)的場景[3]。

2 計算機技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)系

虛擬現(xiàn)實技術(shù)本質(zhì)上是計算機技術(shù)的一個分支，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠為人們構(gòu)建虛擬世界，通過對現(xiàn)實生活中各類事物模擬的方式有效減少企業(yè)技術(shù)研發(fā)或者新技術(shù)投入應(yīng)用時潛在的風險。計算機技術(shù)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展中具有十分重要的意義，能夠有效推動虛擬現(xiàn)實技術(shù)高速發(fā)展[4]。例如通過優(yōu)化算法的方式能夠進一步增強模擬對象的仿真性，進而形成三維動態(tài)實體。隨著我國未來社會經(jīng)濟的發(fā)展，各行各業(yè)都需加強針對計算機技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用力度。依托虛擬現(xiàn)實技術(shù)內(nèi)在特質(zhì)不斷利用計算機技術(shù)發(fā)揮虛擬現(xiàn)實的真正作用[5]。

3 計算機技術(shù)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在我國各個領(lǐng)域中都有直觀體現(xiàn)，例如面部識別、建模、技術(shù)研發(fā)等等。依托計算機技術(shù)能夠進一步發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢，滿足多元化需求，最終確保虛擬現(xiàn)實模型能夠獲得更佳的視覺表現(xiàn)[6]。

3.1 三維人臉重建算法

3.1.1 三維人臉重建算法概述

三維人臉重建算法在電子游戲領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。在實際工作中，倘若技術(shù)開發(fā)團隊3D美術(shù)人員一直沿用傳統(tǒng)方式繪制三維人臉模型將會嚴重影響游戲開發(fā)進度。而基于圖像的三維人臉重建算法的應(yīng)用能夠幫助技術(shù)人員從單個視角拍攝的圖片信息中提取數(shù)據(jù)并整合構(gòu)建三維人臉圖形網(wǎng)格，最終實現(xiàn)快速匹配人臉三維模型[7]。

當前我國關(guān)于三維人臉算法的相關(guān)技術(shù)主要分為混合形變以及基于體積回歸這兩種?；旌闲巫兪侵竿ㄟ^人工采集數(shù)據(jù)的方式制作人臉三維數(shù)據(jù)，以加權(quán)混合并構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的方式匹配照片人臉最優(yōu)權(quán)值組合。混合形變技術(shù)應(yīng)用效果主要依賴三維人臉數(shù)據(jù)庫，倘若數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)豐富則會得到較好的預(yù)期效果，但這種算法的時間復(fù)雜度較高。

體積回歸方法的應(yīng)用需要技術(shù)人員根據(jù)人臉所在三維空間組成基于體素的三維網(wǎng)格，并且還需建立由照片到三維網(wǎng)格的映射，通過這種方式判斷三維網(wǎng)格體素是否處于人臉模型體積內(nèi)。最后技術(shù)人員需要對人臉模型體系內(nèi)所有的體素進行渲染。雖然通過這種方法能夠確保人臉模型形狀細節(jié)的精細度較高，但由于頭部不穩(wěn)定，并且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練成本較高，因此導(dǎo)致該技術(shù)應(yīng)用并不常見[8]。

隨著我國信息技術(shù)的高速發(fā)展，新時代下需要研發(fā)一款對于訓(xùn)練數(shù)據(jù)量要求較低，并且時間復(fù)雜度較低的三維人臉重建算法，以此充分發(fā)揮信息技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的工業(yè)價值[9]。

3.1.2 三維人臉重建算法的實現(xiàn)

3.1.2.1 人臉對齊

在人臉照片拍攝過程中，由于受到技術(shù)、角度等影響導(dǎo)致人臉照片頭部位置可能存在偏差。為了確保人臉特征點能夠匹配模型，需要技術(shù)人員通過旋轉(zhuǎn)的方式將三維人臉模型轉(zhuǎn)動到與人臉相同的位置。將人臉模型的特征點投影到相機平面，最終計算特征點的距離。

技術(shù)人員需要通過相機投影變換的方式求得人臉的章動角、旋進角以及自轉(zhuǎn)角。同時還需結(jié)合相機中各個像素點對應(yīng)的世界坐標同人臉空間坐標、人臉坐標在世界空間坐標的變換矩陣以及人臉旋轉(zhuǎn)和位移數(shù)據(jù)建立方程式。為了確保最終數(shù)據(jù)結(jié)果不會受到誤差（人臉姿態(tài)）的影響，技術(shù)人員還需利用最小二乘法解決人臉姿態(tài)問題。此外，由于在捕捉人臉特征點過程中，特征點位置會隨著人臉表情變化而變化，為了確保人臉姿態(tài)不會受到面部表情影響，還需選擇與面部表情無關(guān)的特征點開展姿態(tài)估計[10]。

3.1.2.2 人臉混合形變參數(shù)回歸

由于人臉臉頰部分較為光滑，在重建人臉外輪廓細節(jié)過程中常常因為需要在周邊布置大量關(guān)節(jié)導(dǎo)致模型參數(shù)過于稠密。因此技術(shù)人員需要在原有技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上附加組合形變模型組。

在實際工作中，技術(shù)人員首先需要通過參數(shù)回歸的方式得到人臉骨骼形變模型，隨后對其進行蒙皮更新。此時技術(shù)人員需要在模型綁定狀態(tài)下根據(jù)局部坐標計算模型空間坐標，并調(diào)整人物臉部模型以及五官比例。由于該環(huán)節(jié)涉及的形變模型數(shù)量較小，因此技術(shù)人員可通過黃金分割的方式搜索每個形變參數(shù)的權(quán)值，最終實現(xiàn)對人臉臉部輪廓細節(jié)的優(yōu)化。

3.1.2.3 人臉紋理生成

在對人臉模型網(wǎng)絡(luò)進行三維重建后，為了進一步匹配照片中人臉形象，需要結(jié)合實際情況選擇人臉紋理生成技術(shù)。以正交投影人臉紋理生成技術(shù)為例，該技術(shù)的應(yīng)用原理在于從照片中分割出人臉區(qū)域，將該區(qū)域映射到指定區(qū)域中并做模糊處理。最終通過改變模型初始紋理映射的方式準確生成三維人臉模型[11]。

圖1為判斷點是否處于多邊形內(nèi)的方法示意圖。由于在實際工作中需要技術(shù)人員靈活分割照片人臉區(qū)域，因此需要事先生成蒙版圖，該蒙版圖是由多個A點組成的多邊形，技術(shù)人員需要通過如下公式判斷人臉像素是否處于多邊形范圍內(nèi)：

圖1 像素判斷示意圖

其中，A點代表多邊形邊框的各個節(jié)點，P點代表人臉像素位置，C點代表人臉平均顏色的RGB值。

通過對所有人臉像素判斷是否處于人臉特征點的方式最終得到一個關(guān)于人臉結(jié)構(gòu)的蒙版圖，技術(shù)人員需要對其進行高斯模糊處理。為了進一步確保高斯模糊后不會因色差問題影響整體質(zhì)量，還需要技術(shù)人員對其進行色調(diào)調(diào)整。

本節(jié)著重分析關(guān)于計算機技術(shù)在優(yōu)化三維人臉重建方法領(lǐng)域中的策略，通過展示人臉對齊、人臉特征點檢測以及紋理生成的方式體現(xiàn)出依托計算機技術(shù)在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中提高計算機圖像精細程度的能力。幫助技術(shù)人員在額定設(shè)計時間下更加便捷地提高虛擬環(huán)境中人臉圖像質(zhì)量，確保電子游戲中虛擬現(xiàn)實環(huán)境能夠具備較強的真實性。

3.2 球面紋理映射

3.2.1 球面紋理映射概述

計算機技術(shù)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的應(yīng)用還體現(xiàn)在三維物體表面細節(jié)處理領(lǐng)域中。無論是廣告的設(shè)計還是動畫片的制作，為了確保真實度，需要技術(shù)人員加強對于三維物體表面紋理的捕捉。在實際工作中，球面作為三維圖形設(shè)計最廣泛的中界面能夠展示出日常生活各類物體。但由于球面映射會導(dǎo)致球面紋理在坐標系中相鄰的點映射到球面后面導(dǎo)致重疊現(xiàn)象發(fā)生，出現(xiàn)紋理變形。為了解決球面紋理映射出現(xiàn)紋理變形的現(xiàn)實困境，需要依托映射適應(yīng)卷積理論，利用計算機技術(shù)解決混疊現(xiàn)象。

3.2.2 抗混疊算法

為了解決球面紋理存在的混疊現(xiàn)象，需要技術(shù)人員首先對球面進行標準柵格化處理，并對柵格化處理后的每一個節(jié)點進行逆映射，以此找到節(jié)點混疊后的位置。

其次技術(shù)人員需要計算球面所有平面點的形變高斯核范圍，并為球面設(shè)定正方形區(qū)域。將該正方形區(qū)域中心放置在原點處，以柵格化節(jié)點的逆映射為中心，計算最小外接正方形，該正方形即為球面紋理平面點的高斯平均權(quán)重范圍。

再次，技術(shù)人員需要通過半球面紋理映射的雅可比矯正高斯核區(qū)域，并在外接正方形的中心構(gòu)建標準柵格。此時技術(shù)人員需要對球面的任意采樣點進行映射處理獲得映射值，并將映射值與雅可比的絕對值做除法即可得到球面節(jié)點的離散型變核。

最后，技術(shù)人員需要在原始圖像中利用映射適應(yīng)性卷積進行插值，并在以柵格化節(jié)點的逆映射為中心的外接正方形中計算高斯形變核，得到映射適應(yīng)卷積結(jié)果。針對每項映射適應(yīng)卷積結(jié)果，都需要選擇合適的插值方法進行重采樣，并將有關(guān)數(shù)據(jù)填充至模擬平面中，以此解決球面紋理存在的混疊現(xiàn)象。

本節(jié)重點探究計算機技術(shù)在球面模型紋理處理領(lǐng)域中如何解決球面紋理的混疊現(xiàn)象，有效提高了球面三維模型紋理的細節(jié)以及真實感，最終有利于我國動畫制作、廣告設(shè)計領(lǐng)域朝著科學(xué)化和智能化方向發(fā)展。

3.3 虛擬現(xiàn)實聲場渲染技術(shù)

3.3.1 虛擬現(xiàn)實聲場渲染技術(shù)概述

使用者佩戴虛擬現(xiàn)實設(shè)備完成交互動作過程中，為了進一步提高使用感受，不僅需要技術(shù)人員實現(xiàn)視覺、聽覺甚至觸覺的深度融合，還需要解決虛擬現(xiàn)實聲場空間化的問題，確保能夠為使用者帶來高質(zhì)量的沉浸感。當前我國虛擬現(xiàn)實聲場渲染技術(shù)需要面臨聽覺效果不佳以及時間復(fù)雜度過大的現(xiàn)象，并且虛擬現(xiàn)實場景與現(xiàn)實場景在聲音感知方面也存在較大差異。為了解決虛擬現(xiàn)實聲場問題，本節(jié)基于計算機技術(shù)提出了一種基于視聽雙模定位的聲源增強模型，提高用戶主觀聽覺體驗。

3.3.2 視聽雙模定位聲源增強模型

使用者佩戴虛擬現(xiàn)實設(shè)備過程中，對聲音強度的判斷主要通過感知自身與聲音源之間的距離判斷位置。當使用者同時利用視覺和聽覺進行雙模定位，那么使用者接收到的視覺信息一定程度上還會引導(dǎo)聽覺定位，幫助使用者同時獲得視覺與聽覺的刺激，最終減少對視覺刺激的依賴，提高整體沉浸感。

技術(shù)人員可將使用者聽覺定位誤差設(shè)為λ，將σ2A設(shè)為聽覺信息的定位方差，將σ2Y設(shè)為視覺信息的定位方差，將εY以及εA分別設(shè)為視覺和聽覺的相對權(quán)重，最終構(gòu)建視聽雙模定位聲源增強模型：

基于本模型，技術(shù)人員構(gòu)建特定虛擬場景并通過增加聲音源聲音強度的方式判斷使用者對聲源的定位情況，最終對虛擬聲場進行渲染。如圖2所示，聲源增強模型渲染后使用者聽覺體驗更佳。

圖2 聽覺評估效果

4 結(jié)語

綜上所述，計算機技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)有著密不可分的聯(lián)系。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠幫助技術(shù)人員從多個維度確保設(shè)計決策的有效落實，計算機技術(shù)能夠進一步優(yōu)化各類算法的時間復(fù)雜度，提高工作效率。新時代下，為了進一步發(fā)揮計算機技術(shù)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中的作用，需要技術(shù)人員、企業(yè)管理者提高重視程度。