計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)及應(yīng)用研究

孔瑤

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；虛擬現(xiàn)實(shí)；應(yīng)用場(chǎng)景

1引言

現(xiàn)階段，我國(guó)科技水平不斷提高，計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在諸多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也稱(chēng)之為VR技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)是目前國(guó)際上正在研究的一種高新技術(shù)。該技術(shù)主要依托計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)世界高度相似的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，引導(dǎo)使用者沉浸在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中并開(kāi)展各類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)，這對(duì)各行業(yè)的發(fā)展有重要的現(xiàn)實(shí)意義。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用期間面臨場(chǎng)景單一等問(wèn)題，需針對(duì)計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行深入研究，最大化地挖掘計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的潛力和價(jià)值。

2計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)

2.1實(shí)物虛化

2.1.1構(gòu)建模型

虛擬環(huán)境模型是計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展各項(xiàng)應(yīng)用活動(dòng)的重要依托，用戶(hù)持續(xù)采集并向軟件中導(dǎo)人有關(guān)指定現(xiàn)實(shí)環(huán)境的全部三維數(shù)據(jù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列預(yù)處理加工，篩除重復(fù)、失真數(shù)據(jù)，以確保預(yù)處理后的數(shù)據(jù)信息具備完整性、真實(shí)性。然后使用三維數(shù)據(jù)來(lái)搭建虛擬環(huán)境模型框架，按順序逐步設(shè)定空間尺寸、環(huán)境條件、氣候、實(shí)體結(jié)構(gòu)材質(zhì)等要素，對(duì)照并檢查虛擬環(huán)境模型和實(shí)際環(huán)境是否存在明顯出入，對(duì)不合理部位進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，生成三維效果圖，即可完成模型構(gòu)建作業(yè)。最后，為提高虛擬環(huán)境模型的真實(shí)程度，可直接在模型中添加現(xiàn)實(shí)環(huán)境中拍攝的照片、音視頻資料，或是在模型中保留一定程度的現(xiàn)實(shí)環(huán)境物理元素，如結(jié)構(gòu)受力分布、材料材質(zhì)、氣候條件等[1]。

2.1.2空間追蹤

應(yīng)確保使用者在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中能夠有效進(jìn)行巡視檢查、生產(chǎn)加工等活動(dòng)，以完成絕大多數(shù)同樣可在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中開(kāi)展的活動(dòng)。在計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)體系中，必須應(yīng)用到空間追蹤技術(shù)，通過(guò)VR眼鏡、VR手套等硬件設(shè)備，持續(xù)感知使用者的身體狀況，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，持續(xù)變動(dòng)使用者在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的空間位置，并在使用者移動(dòng)位置時(shí)持續(xù)更新場(chǎng)景內(nèi)容，向其開(kāi)放全新場(chǎng)景地圖。

2.1.3視聽(tīng)追蹤

為滿(mǎn)足使用者在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的感官體驗(yàn)需求，在系統(tǒng)中配備視頻攝像機(jī)、聲傳感器等硬件設(shè)備，以搭建視聽(tīng)跟蹤子系統(tǒng)。同時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)定位使用者的三維空間坐標(biāo)值，向使用者提供相應(yīng)的視覺(jué)影像和音頻資料。

2.2虛物實(shí)化

2.2.1視覺(jué)感知

為確保使用者深度沉浸在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，切實(shí)感受虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的質(zhì)感，需要應(yīng)用到視覺(jué)感知技術(shù)，持續(xù)把使用者目光注視部位的圖像傳遞至人眼，并考慮到人眼視覺(jué)差問(wèn)題而同步生成多幅圖像，使用者在觀看圖像時(shí)在大腦反饋?zhàn)饔孟潞鲆曁摂M環(huán)境、現(xiàn)實(shí)環(huán)境的細(xì)微差異。同時(shí)，為進(jìn)一步改善視覺(jué)感知效果，可以搭配應(yīng)用ATW異步時(shí)間扭曲、MultView多視圖渲染、ASW異步空間扭曲、畸變補(bǔ)償渲染等全新技術(shù)手段，以補(bǔ)全虛擬現(xiàn)實(shí)渲染技術(shù)短板[2]。

2.2.2聽(tīng)覺(jué)感知

聽(tīng)覺(jué)是虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的核心元素，根據(jù)場(chǎng)景類(lèi)型來(lái)提供相應(yīng)的聲音渲染，起到烘托氛圍的作用。在早期計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用期間，普遍采取ITD同有時(shí)間尺度分解技術(shù)，把信號(hào)分解為若干固有旋轉(zhuǎn)分量及趨勢(shì)余量，從中提取所需高頻分量、計(jì)算分量瞬時(shí)相位與頻率，定位初始到達(dá)時(shí)間后向使用者傳達(dá)聲音，此技術(shù)不具備單耳定位條件。隨著時(shí)間的推移，計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)日趨完善，當(dāng)前主要采取HRTF音效定位技術(shù)或Inside-out內(nèi)向外追蹤定位技術(shù)。其中，HRTF技術(shù)根據(jù)時(shí)間差、聲壓差和濾波效應(yīng)特性來(lái)建立傳遞函數(shù)，實(shí)時(shí)鎖定聲源位置，準(zhǔn)確計(jì)算左聲道、右聲道最佳輸出效果，向使用者提供真實(shí)度更高的立體聲效，具備單耳定位功能。另外，Inside-out技術(shù)把視覺(jué)相機(jī)、事件相機(jī)、IMU慣性器件等作為傳感裝置，無(wú)需配備額外定位裝置，利用光學(xué)追蹤原理來(lái)掌握虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境變化情況，把實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)人SLAM算法中，以求解攝像頭空間位置。VR設(shè)備所配備傳感器數(shù)量越多，聽(tīng)覺(jué)感知效果越好。

2.2.3觸覺(jué)感知

使用者在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中開(kāi)展各項(xiàng)行動(dòng)時(shí)，VR設(shè)備向使用者反饋相應(yīng)的觸覺(jué)感知。例如，在駕駛車(chē)輛時(shí)感知到方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)阻力與身體晃動(dòng)，在荒漠與灘涂等復(fù)雜地形中行走時(shí)感覺(jué)到吃力，觸碰到各類(lèi)物體時(shí)感受表面機(jī)理觸感。目前來(lái)看，常用的觸覺(jué)感知技術(shù)包括力反饋觸覺(jué)操縱桿、VR Touch觸覺(jué)反饋、ThermoReal熱觸覺(jué)、HaptX Gloves觸覺(jué)手套4項(xiàng)技術(shù)。（1）力反饋觸覺(jué)操縱桿技術(shù)以折紙結(jié)構(gòu)作為操縱桿構(gòu)造形式，使用者既可以360°旋轉(zhuǎn)操縱桿來(lái)完成復(fù)雜操作行為，也可以通過(guò)觸摸操縱桿來(lái)感知虛擬環(huán)境中的物體軟硬程度。（2） VR Touch觸覺(jué)反饋技術(shù)是在VR設(shè)備上配備大面積的塑料材質(zhì)觸覺(jué)裝置，具備開(kāi)展抓取、操控、觸摸等多種操作的條件，并向使用者提供觸覺(jué)感知。（3） ThermoReal熱觸覺(jué)技術(shù)在常規(guī)觸覺(jué)感知功能基礎(chǔ)上，額外提供冷熱感知功能，使用者可以切實(shí)體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景內(nèi)的環(huán)境溫度、物體溫度。（4）HaptX Gloves觸覺(jué)手套技術(shù)配備微型氣動(dòng)執(zhí)行器與機(jī)械制動(dòng)器，把大量部件按順序陣列排布，所提供的觸覺(jué)感受最為真實(shí)[3]。

2.3網(wǎng)絡(luò)傳輸

在計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)體系中，網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)搜集使用者姿態(tài)信息、把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋至VR設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，打通VR設(shè)備與系統(tǒng)主機(jī)間的通信壁壘。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，在VR系統(tǒng)運(yùn)行期間需要持續(xù)傳輸海量的數(shù)據(jù)信息，而傳統(tǒng)有線傳輸系統(tǒng)存在線路復(fù)雜、有效傳輸量小的局限性，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際使用需要，因此，需要應(yīng)用5G移動(dòng)通信、交錯(cuò)幀傳輸?shù)刃滦图夹g(shù)。（1）5G移動(dòng)通信技術(shù)具備高速率、大連接、低時(shí)延的特點(diǎn)，正常情況下的峰值速率為10～20Gbit/s、空中接口時(shí)延不超過(guò)1ms、連續(xù)廣域覆蓋下的體驗(yàn)速率超過(guò)100Mbit/s，能夠滿(mǎn)足VR系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸需要。（2）交錯(cuò)幀傳輸技術(shù)強(qiáng)調(diào)把畫(huà)面?zhèn)鬏攷譃榫o急更新畫(huà)面幀、重復(fù)使用畫(huà)面幀等多個(gè)類(lèi)別，在VR系統(tǒng)運(yùn)行期間，優(yōu)先利用通信資源來(lái)傳輸緊急更新畫(huà)面幀，利用空閑通信資源來(lái)傳輸剩余畫(huà)面幀，實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)量還不到早期網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的1/2[4]。

3計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要應(yīng)用場(chǎng)景

3.1產(chǎn)品設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式下，由甲方提前提出對(duì)產(chǎn)品造型、使用功能、性能質(zhì)量等方面的要求，再由設(shè)計(jì)人員制定初步設(shè)計(jì)方案、繪制產(chǎn)品草圖，把方案草圖提交給甲方進(jìn)行審查，審查通過(guò)后，再把產(chǎn)品投入正式生產(chǎn)，在生產(chǎn)期間判斷是否存在設(shè)計(jì)不合理等問(wèn)題并加以改進(jìn)。這一產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式具有流程煩瑣、周期時(shí)間長(zhǎng)、成本高昂的局限性，時(shí)常因甲方提出要求過(guò)于籠統(tǒng)、設(shè)計(jì)方案可行性缺乏有效驗(yàn)證手段而出現(xiàn)設(shè)計(jì)變更、產(chǎn)品返工等問(wèn)題。

因此，需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)場(chǎng)景中應(yīng)用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并將其具體用于設(shè)計(jì)成果展示、功能驗(yàn)證、生產(chǎn)模擬等環(huán)節(jié)。（1）在設(shè)計(jì)成果展示環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)甲方所提要求，直接在VR系統(tǒng)中確定初步設(shè)計(jì)方案，通過(guò)三維模型或是虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景內(nèi)實(shí)物形式，向甲方立體化呈現(xiàn)設(shè)計(jì)成果，幫助甲方更為準(zhǔn)確地判斷設(shè)計(jì)成果是否滿(mǎn)足自身預(yù)期要求，后續(xù)提出具體改進(jìn)建議，從而避免要求籠統(tǒng)、頻繁變更。（2）在功能驗(yàn)證環(huán)節(jié)，搭建產(chǎn)品使用的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，在虛擬環(huán)境中開(kāi)展多項(xiàng)功能性試驗(yàn)，觀察產(chǎn)品在假定條件下的功能發(fā)揮、總體運(yùn)行工況是否達(dá)標(biāo)，以幫助設(shè)計(jì)人員找出不合理問(wèn)題、確定深化設(shè)計(jì)方向。（3）在生產(chǎn)模擬環(huán)節(jié)，在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中營(yíng)造車(chē)間生產(chǎn)環(huán)境，按照設(shè)計(jì)方案內(nèi)容來(lái)組織開(kāi)展生產(chǎn)活動(dòng)，持續(xù)觀察產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和物料資源耗用量，若生產(chǎn)成本超標(biāo)、生產(chǎn)效率偏低，則對(duì)設(shè)計(jì)方案與生產(chǎn)方案加以改進(jìn)。

3.2VR教學(xué)

在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，學(xué)生的知識(shí)獲取來(lái)源較為單一，主要通過(guò)線下課堂進(jìn)行學(xué)習(xí)，教學(xué)場(chǎng)景受到時(shí)間、地點(diǎn)的雙重限制。隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，多媒體教學(xué)模式得到推廣實(shí)施，教師通過(guò)制作PPT課件、微課視頻等方式來(lái)開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，教學(xué)效率、質(zhì)量得到一定提升，但實(shí)際提升幅度遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期要求。因此，各所高等院校需要有效結(jié)合計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和傳統(tǒng)教學(xué)模式，在其基礎(chǔ)上構(gòu)建VR教學(xué)體系，為學(xué)生營(yíng)造與現(xiàn)實(shí)環(huán)境基本一致的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)場(chǎng)景，用于開(kāi)展各項(xiàng)專(zhuān)業(yè)教學(xué)工作。這既可以顯著提高教學(xué)質(zhì)量，避免因錯(cuò)誤操作行為而出現(xiàn)安全事故，又可以把教學(xué)成本控制在合理范圍內(nèi)。例如，北京航空航天大學(xué)利用VR教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)展分布式飛行模擬練習(xí)教學(xué)活動(dòng)，浙江大學(xué)建筑專(zhuān)業(yè)利用VR教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)展建筑虛擬規(guī)劃設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)。

3.3醫(yī)療服務(wù)

在我國(guó)醫(yī)療行業(yè)發(fā)展期間，計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療手術(shù)、患者康復(fù)治療、特殊病癥治療等場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用，徹底改變了醫(yī)療服務(wù)及醫(yī)療診療模式，并推動(dòng)我國(guó)醫(yī)療行業(yè)邁人全新發(fā)展階段。首先，在醫(yī)療手術(shù)環(huán)節(jié)，提前在VR系統(tǒng)內(nèi)營(yíng)造虛擬手術(shù)環(huán)境，按照既定手術(shù)計(jì)劃開(kāi)展模擬試驗(yàn)，判斷術(shù)中情況、術(shù)后患者恢復(fù)效果是否理想。同時(shí)，還可以對(duì)患者內(nèi)部器官進(jìn)行三維掃描，從而更為全面地掌握患者身體狀況、科學(xué)制定手術(shù)計(jì)劃。例如，美國(guó)邁阿密尼克勞斯兒童醫(yī)院提出Google Cardboard耳機(jī)計(jì)劃，通過(guò)VR耳機(jī)來(lái)觀察嬰兒患者的身體情況，發(fā)現(xiàn)Teegan Lexcen嬰兒僅有一個(gè)肺與半個(gè)心臟，根據(jù)3D圖像來(lái)制定手術(shù)方案，術(shù)后一個(gè)月，該名嬰兒的身體狀況得到明顯改善[5]。其次，在患者康復(fù)治療環(huán)節(jié)，部分患者在術(shù)后短時(shí)間內(nèi)行動(dòng)不便，如果長(zhǎng)期臥床不起會(huì)延長(zhǎng)恢復(fù)周期、影響身體恢復(fù)效果。在VR技術(shù)應(yīng)用中，患者佩戴觸覺(jué)手套等設(shè)備進(jìn)行適量康復(fù)訓(xùn)練，由醫(yī)生根據(jù)患者情況在系統(tǒng)中設(shè)定訓(xùn)練量和訓(xùn)練強(qiáng)度，以避免過(guò)度訓(xùn)練而造成身體二次傷害。最后，在特殊病癥治療環(huán)節(jié)，醫(yī)生根據(jù)患者病癥來(lái)營(yíng)造專(zhuān)屬的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，幫助患者在受控、安全環(huán)境中直面自身癥狀。以恐懼癥為例，患者在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行高處、飛行、公開(kāi)演講等主題的脫敏性訓(xùn)練。

3.4設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)

在設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中，VR技術(shù)可用于設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)，幫助管理人員實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行工況，無(wú)需頻繁前往生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，這對(duì)提高設(shè)備管理效率、減輕工作負(fù)擔(dān)有著重要意義。首先，在設(shè)備在線監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，在VR系統(tǒng)中接人現(xiàn)場(chǎng)安裝的溫度傳感器、壓力傳感器、攝像頭等終端設(shè)備，持續(xù)收集、處理現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào)與更新虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，通過(guò)固定／移動(dòng)3D模型的方式來(lái)展現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行情況，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)位置、姿態(tài)、運(yùn)行負(fù)載等要素的變化過(guò)程。同時(shí)，設(shè)立運(yùn)行參數(shù)額定值和允許偏差范圍，若設(shè)備運(yùn)行狀況異常，則由VR系統(tǒng)向管理人員發(fā)送報(bào)警信號(hào)。其次，在設(shè)備故障預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)，VR系統(tǒng)具備強(qiáng)大的邏輯分析能力，通過(guò)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和同類(lèi)故障案例，推演設(shè)備在未來(lái)一段日寸間的運(yùn)行工況，若預(yù)測(cè)到可能會(huì)出現(xiàn)的故障問(wèn)題，則提前修改設(shè)備運(yùn)行方案、開(kāi)展維護(hù)保養(yǎng)工作，把故障隱患消弭于無(wú)形。

3.5工程管理

在工程管理場(chǎng)景中對(duì)VR技術(shù)的應(yīng)用，既可以向全體工程人員更為準(zhǔn)確地傳達(dá)管理計(jì)劃，以避免因理解錯(cuò)誤而影響到管理計(jì)劃執(zhí)行效果，又可以向管理人員準(zhǔn)確、直觀且全面地反映工程管理情況，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)管理問(wèn)題與采取改進(jìn)措施。例如，在施工安全管理方面，結(jié)合VR技術(shù)與安全培訓(xùn)工作，在VR系統(tǒng)內(nèi)搭建工程現(xiàn)場(chǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，工程人員在場(chǎng)景內(nèi)沉浸式學(xué)習(xí)各項(xiàng)安全技能，參與火災(zāi)逃生和人員觸電等工程事故的救援疏散活動(dòng)，以避免在施工期間面對(duì)各類(lèi)工程事故時(shí)手足無(wú)措、產(chǎn)生不必要的人員傷亡。而在技術(shù)管理方面，把施工技術(shù)方案導(dǎo)人VR系統(tǒng)內(nèi)并開(kāi)展仿真模擬試驗(yàn)，以判斷試驗(yàn)結(jié)果是否達(dá)到工程建設(shè)目標(biāo)，必要時(shí)更換工藝技術(shù)種類(lèi)、調(diào)整技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4結(jié)束語(yǔ)

在新時(shí)代背景下，計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在諸多行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到大規(guī)模應(yīng)用推廣，具備廣闊的應(yīng)用前景。工作人員都應(yīng)提高對(duì)計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重視程度，深入了解其技術(shù)組成部分和關(guān)鍵技術(shù)手段，結(jié)合實(shí)際需求來(lái)拓展技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，將計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)、VR教學(xué)、醫(yī)療服務(wù)、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)、工程管理等場(chǎng)景中做到落地應(yīng)用，使計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的作用得到完全發(fā)揮。