虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在多終端數(shù)字化展示中的應(yīng)用探析

趙影

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；多終端；數(shù)字化展示

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）10-0114-03

1 虛擬現(xiàn)實(shí)介紹

近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)和設(shè)備以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信工程等科學(xué)領(lǐng)域的突破與發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展與應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality簡稱VR），是指虛擬和現(xiàn)實(shí)相互結(jié)合，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的虛擬環(huán)境，用戶借助虛擬現(xiàn)實(shí)裝備與虛擬場景中的對(duì)象進(jìn)行交互作用，并且產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是，構(gòu)建一種人為的能與之進(jìn)行自由交互的環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中參與者可以實(shí)時(shí)地觀察和操作環(huán)境的對(duì)象[1]。

虛擬現(xiàn)實(shí)具有三大特點(diǎn)，即3I 特性，構(gòu)想性（Imagination）、沉浸感（Immersion）、交互性（Interac?tion）[2]。

1）構(gòu)想性（Imagination）：體驗(yàn)者置身在三維虛擬環(huán)境中，在虛擬環(huán)境中可以有更多的想象空間。體驗(yàn)者在體驗(yàn)的虛擬的環(huán)境中，能夠體驗(yàn)真實(shí)世界中無法體驗(yàn)的場景，可以有更多的想象空間，進(jìn)而獲得構(gòu)想與靈感。例如，在陸地上通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)造出三維虛擬的海底世界場景，體驗(yàn)者置身在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，能夠體驗(yàn)到海底世界場景，產(chǎn)生更多的想象空間。

2）沉浸感（Immersion）：體驗(yàn)者在虛擬環(huán)境中能夠體驗(yàn)的真實(shí)程度。體驗(yàn)者通過佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)裝備，如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等，進(jìn)入一個(gè)虛擬的環(huán)境里，在虛擬的環(huán)境中，體驗(yàn)者能夠在空間環(huán)境中進(jìn)行交互，并且會(huì)得到和真實(shí)世界中一樣的反饋，讓體驗(yàn)者像是在真實(shí)世界中一樣的沉浸感。例如，通過虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行精密儀器的拆解，體驗(yàn)者進(jìn)入佩戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套后，能夠一個(gè)步驟接一個(gè)步驟地進(jìn)行儀器的拆解，就像在真實(shí)世界操作一樣，具有很強(qiáng)的沉浸感。

3）交互性（Interaction）：體驗(yàn)者通過使用虛擬現(xiàn)實(shí)裝備，虛擬環(huán)境對(duì)體驗(yàn)者的肢體動(dòng)作會(huì)做出反饋，體驗(yàn)者可以實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行主動(dòng)的交互操作。例如，體驗(yàn)者在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行模擬駕駛，就像在和在真實(shí)世界的駕駛操作一樣，每一個(gè)步驟都得到了反饋。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是繼數(shù)字媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)之后又一門嶄新的技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為體驗(yàn)者營造了構(gòu)想性、沉浸性和交互性的體驗(yàn)環(huán)境，在為體驗(yàn)者創(chuàng)建仿真的體驗(yàn)情景方面有著不可替代的積極作用。

2 多終端展示介紹

本文研究的多終端包括了移動(dòng)端、虛擬現(xiàn)實(shí)裝備端和智能可視化中心端。

2.1 移動(dòng)端展示

移動(dòng)端主要包括iOS手機(jī)端、Android手機(jī)端、iOS平板端、Android平板端等。移動(dòng)端展示是指結(jié)合手機(jī)、平板等移動(dòng)端深度應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行展示。當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在移動(dòng)端的應(yīng)用，作為數(shù)字化展示的一個(gè)手段，配上一些語音解說，用戶體驗(yàn)多用于點(diǎn)擊瀏覽，在線上環(huán)境應(yīng)用比較多，在線下環(huán)境中應(yīng)用不多。

隨著移動(dòng)終端技術(shù)與設(shè)備的普及和發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與其相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端的數(shù)字化展示，在移動(dòng)端進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)場景后，可對(duì)三維場景進(jìn)行整體總覽，能夠?qū)崿F(xiàn)固定視角與自由視角的無縫切換，方便瀏覽。移動(dòng)端瀏覽也能夠?qū)崿F(xiàn)可以放大或縮小畫面，可以進(jìn)行360°的自由旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，在自由模式下還可以實(shí)現(xiàn)畫面的平移，方便瀏覽。在數(shù)字化展示中，移動(dòng)端的使用主要優(yōu)點(diǎn)一是使用方便并且靈活，移動(dòng)設(shè)備便于攜帶并且不受網(wǎng)線等使用條件的約束，二是相對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)裝備的使用成本較低。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)裝備展示

虛擬現(xiàn)實(shí)裝備指的是虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備，主要包括感知設(shè)備、交互設(shè)備、定位跟蹤設(shè)備和虛擬世界生成設(shè)備。目前常用的虛擬現(xiàn)實(shí)裝備主要有計(jì)算設(shè)備、顯示設(shè)備、追蹤設(shè)備、交互設(shè)備等。虛擬現(xiàn)實(shí)裝備展示指利用虛擬現(xiàn)實(shí)裝備展示信息，包括圖表、圖片、視頻等。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)裝備的展示，包含了三維建模、數(shù)字媒體、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器融合、實(shí)時(shí)跟蹤定位、多場景融合等技術(shù)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)裝備，可以解放體驗(yàn)者的雙手，便捷完成指令接收、數(shù)據(jù)分析展示、視頻拍攝、圖片采集等工作[3]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以從雙360度球型即720度范圍內(nèi)的所有展示內(nèi)容，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬出的虛擬環(huán)境真實(shí)并且生動(dòng)，佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)裝備后，即可自由地穿梭在設(shè)定的體驗(yàn)空間里，自主地和虛擬場景中的事物進(jìn)行交互，無論從視覺、聽覺還是觸覺都能夠獲得全新的體驗(yàn)。在數(shù)字化展示中，加入虛擬現(xiàn)實(shí)裝備，一方面可以提高體驗(yàn)者的互動(dòng)性，另外一方面可以創(chuàng)造很強(qiáng)的視覺體驗(yàn)，讓數(shù)字化展示更具有趣味性和實(shí)用性。

2.3 智能可視化指揮中心展示

智能可視化指揮中心是集成先進(jìn)的大數(shù)據(jù)分析模型、多樣化交互展示前端，智能可視化指揮中心展示是為適應(yīng)目前信息化、智能化發(fā)展趨勢(shì)，歸集各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)圖表工具對(duì)經(jīng)營、生產(chǎn)、工程指標(biāo)等各類指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研判，全面動(dòng)態(tài)展現(xiàn)企事業(yè)單位的業(yè)務(wù)態(tài)勢(shì)，為管理者提供數(shù)據(jù)決策支持、經(jīng)營分析，實(shí)現(xiàn)“運(yùn)籌帷幄之中，決勝千里之外”。

智能可視化指揮中心展示包括多維數(shù)據(jù)融合、多樣化圖表呈現(xiàn)、界面交互、綜合態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)和綜合查詢統(tǒng)計(jì)模塊等。

1）多維數(shù)據(jù)融合：支持集成包括地理信息數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、建筑模型數(shù)據(jù)等多類型數(shù)據(jù)。

2）多樣化圖表呈現(xiàn)：包括平面圖和基于地理空間系統(tǒng)的三維空間圖表，常見的有折線圖、柱狀圖、餅圖、面積圖、儀表盤、散點(diǎn)圖、K線圖、熱力圖、關(guān)系圖、雷達(dá)圖、?；鶊D等。

3）界面交互：支持二三維地理信息系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)、交互功能組件，觸控交互操作、專業(yè)標(biāo)繪功能，提供自定義布局服務(wù)，提供多樣化的二次開發(fā)接口，以適應(yīng)不同業(yè)務(wù)需求和應(yīng)用場景。

4）綜合態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)：綜合實(shí)時(shí)呈現(xiàn)全區(qū)域范圍的情況和預(yù)警信息，利用數(shù)據(jù)可以詳細(xì)跟蹤每一項(xiàng)信息的具體狀況。

5）綜合查詢統(tǒng)計(jì)：支持全文檢索、關(guān)鍵字檢索和分類檢索，分類查詢并統(tǒng)計(jì)分析。

3 數(shù)字化展示介紹

數(shù)字化展示的起源可以追溯到20世紀(jì)90年代初期，它主要被應(yīng)用于房地產(chǎn)行業(yè)的建筑設(shè)計(jì)展示。到了90年代末期，通過三維動(dòng)畫的運(yùn)用使得展示效果更加精彩，展示的內(nèi)容也更加豐富，并且應(yīng)用的領(lǐng)域也得到了拓展，這才真正開始形成了數(shù)字化展示的雛形。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著硬件設(shè)備的發(fā)展迭代和更新，可交互硬件設(shè)備的應(yīng)用將數(shù)字化展示推向了一個(gè)新的發(fā)展階段，人機(jī)交互的方式革命性地打破信息單向傳播的模式，實(shí)現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合，拉近了人們與信息化的距離。特別是觸摸屏技術(shù)的發(fā)展并且被大規(guī)模應(yīng)用，直接激發(fā)了數(shù)字化互動(dòng)展示的熱潮。隨著數(shù)字展示的廣泛應(yīng)用，數(shù)字展示的概念才逐漸清晰起來，獨(dú)立的行業(yè)形態(tài)也開始被人們認(rèn)可。隨著人們的生活與消費(fèi)水平日益提高，人們對(duì)精神文化與用戶體驗(yàn)的需求也提出了更高的要求。數(shù)字化展示已不再局限視頻和門戶網(wǎng)站等手段，結(jié)合多終端設(shè)備來滿足用戶不同場景需求，精準(zhǔn)定位用戶的使用場景，讓用戶直觀地并且便捷地提取用所需信息，成為數(shù)字化展示發(fā)展的趨勢(shì)。

數(shù)字化展示的形式包括硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，硬件設(shè)備主要包括手機(jī)、平板、電腦主機(jī)、投影機(jī)、顯示大屏幕、液晶拼接器、燈光、音響、虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、虛擬現(xiàn)實(shí)手柄等。軟件系統(tǒng)包括內(nèi)容影片、交互系統(tǒng)等。本文所研究的多終端設(shè)備主要指硬件顯示設(shè)備。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在多終端數(shù)字化展示中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在多終端數(shù)字化展示中的應(yīng)用，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵循先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、友好性、適應(yīng)性、實(shí)用性和安全性等原則。在先進(jìn)性方面，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該在滿足數(shù)字化展示內(nèi)容的需求的基礎(chǔ)上，采用符合信息技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的技術(shù)，要求易升級(jí)、易操作、易維護(hù)。在經(jīng)濟(jì)性方面，要考慮到利用數(shù)字化展示環(huán)境的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，減少新增設(shè)備投資。在友好性方面，操作界面要充分考慮到多媒體設(shè)備和用戶的情況，對(duì)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤操作的環(huán)節(jié)進(jìn)行標(biāo)記或者提醒。在適應(yīng)性方面，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在充分考慮當(dāng)前情況的同時(shí)，會(huì)考慮到今后較長時(shí)期內(nèi)滿足數(shù)據(jù)及功能擴(kuò)展的需求，留有充分的升級(jí)和擴(kuò)充的可能性。后期可根據(jù)技術(shù)發(fā)展的實(shí)際應(yīng)用需求，進(jìn)行升級(jí)及二次開發(fā)。在實(shí)用性方面，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要充分考慮用戶的需求和操作者的操作習(xí)慣等。在安全性方面，系統(tǒng)在兼顧響應(yīng)、交互、內(nèi)容的同時(shí)會(huì)在長期運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性及安全性方面著重考慮，需要考慮到備份策略和恢復(fù)策略和故障處理等來保障系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)陸續(xù)被應(yīng)用于教育科研、工業(yè)、醫(yī)療等方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用也得到了充分的發(fā)展。同時(shí)各個(gè)行業(yè)的數(shù)字化展示內(nèi)容也應(yīng)運(yùn)而生，諸如智慧工廠、智慧教育、智慧指揮、智慧醫(yī)療等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用3Ds max、Maya、Unity3D、MySQL等軟件和技術(shù)，在多終端數(shù)字化展示中的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)多終端同時(shí)登錄、多終端操作共享與同步、多終端同時(shí)運(yùn)行等，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在多終端數(shù)字化展示中的應(yīng)用，最重要的是數(shù)據(jù)的互通，必須要打通、連接、融合，要在數(shù)字信息上進(jìn)行融合，整合為一個(gè)控制平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)多維度展示。多維度展示的特點(diǎn)有三方面：全方位、真實(shí)場景、適用性。全方位：全面地展示了雙360度球型即720度范圍內(nèi)的所有展示內(nèi)容；可在體驗(yàn)場景中觀看體驗(yàn)場景的各個(gè)方向和各個(gè)角度，體驗(yàn)者猶如身在其中；真實(shí)場景：三維全景體驗(yàn)場景大部分是在照片基礎(chǔ)之上拼合得到的圖像，最大限度地保留了體驗(yàn)場景的真實(shí)性；適用性終端設(shè)備均能作為播放終端，通過網(wǎng)絡(luò)鏈接及案例下載，用戶可以隨時(shí)隨地查看，普及性及行業(yè)適用性強(qiáng)[4]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在多終端數(shù)字化展示中的應(yīng)用，通過三維虛擬互動(dòng)技術(shù)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將真實(shí)展示場景進(jìn)行實(shí)景等比例三維建模還原，并通過粒子效果、動(dòng)畫系統(tǒng)、著色器等先進(jìn)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)場景進(jìn)行真實(shí)還原，體驗(yàn)者可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡等虛擬現(xiàn)實(shí)裝備沉浸在如風(fēng)雨交加、電閃雷鳴等場景中，通過聲音和視覺的效果真實(shí)體驗(yàn)到真實(shí)場景；體驗(yàn)者還可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)手柄真正與虛擬場景互動(dòng)，展示與體驗(yàn)不再局限于真實(shí)的場地，而是通過虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)及展示，讓每位體驗(yàn)者都能親自體驗(yàn)虛擬環(huán)境中的實(shí)景[5]。

1）在工業(yè)的應(yīng)用

復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備和工業(yè)車間，難以用平面圖和原理圖等展示，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在移動(dòng)端將企業(yè)工業(yè)設(shè)備和工業(yè)車間虛擬化，可進(jìn)行企業(yè)產(chǎn)品與工藝流程的展示；在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備端，主要用于企業(yè)虛擬工廠的漫游，滿足大型廠房車間不方便實(shí)地參觀的需求；在智能可視化指揮中心端，實(shí)現(xiàn)決策人員的調(diào)度與管理。

2）在教育科研的應(yīng)用

在體驗(yàn)式教育科研過程中，會(huì)有很多有危險(xiǎn)性的操作，比如大型復(fù)雜機(jī)械裝備，用虛擬現(xiàn)實(shí)的方式進(jìn)行操作則可以避免操作中的安全風(fēng)險(xiǎn)。在移動(dòng)端通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以進(jìn)行大型復(fù)雜機(jī)械裝備原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的展示；在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備端，可用于復(fù)雜機(jī)械裝備模擬操作或者培訓(xùn)；在智能可視化指揮中心端，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員的業(yè)務(wù)考核與管理。

5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在多終端數(shù)字化展示中的應(yīng)用的意義

一是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化展示的互動(dòng)性與趣味性。傳統(tǒng)的圖文與視頻展覽展示已經(jīng)無法滿足當(dāng)代用戶的參觀需求，尤其是在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展下，數(shù)字化展示已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，加之各種終端設(shè)備的普及與發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以進(jìn)行人機(jī)交互，獲得實(shí)體展館所沒有的虛擬交互體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可有效展示與體驗(yàn)3D物品與3D空間，滿足新技術(shù)發(fā)展形勢(shì)下體驗(yàn)者對(duì)體驗(yàn)的沉浸感和交互感，為體驗(yàn)者提供仿真的模擬環(huán)境，使體驗(yàn)者能夠在任何時(shí)間和地點(diǎn)體驗(yàn)數(shù)字化展示的相關(guān)內(nèi)容。

二是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化展示的實(shí)用性。目前傳統(tǒng)的展示通常采用文字材料、圖片展示、錄像資料等靜態(tài)抽象方式進(jìn)行，缺少體驗(yàn)者的參與、反饋以及與實(shí)際工作環(huán)境的密切聯(lián)系，互動(dòng)性不強(qiáng)、體驗(yàn)者在參與過程中感到枯燥單調(diào)，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的多終端數(shù)字化展示根據(jù)展示環(huán)境（例如變換風(fēng)力、雨、霧等天氣或相關(guān)技術(shù)參數(shù)），多終端能夠根據(jù)體驗(yàn)場景的實(shí)際情況，非常靈活地模擬真實(shí)場景。