計(jì)算機(jī)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的應(yīng)用

亓彩艷

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛應(yīng)用于教育、娛樂、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，其帶來巨大收益的同時也引發(fā)了許多問題，引起了廣大哲學(xué)家、倫理學(xué)家及相關(guān)從業(yè)人員、公眾的高度關(guān)注。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠創(chuàng)設(shè)出真實(shí)場景，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中計(jì)算機(jī)技術(shù)是一個核心重點(diǎn)。

一、關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的簡介

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

顧名思義虛擬現(xiàn)實(shí)就是虛假的展示，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬真實(shí)世界，可以將用戶帶入到虛擬體驗(yàn)中，使之沉浸在三維世界中。在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域包括AR、VR、MR幾個名詞，AR技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)接入傳感器接口結(jié)合定位相機(jī)、人工智能技術(shù)渲染3D模型；VR則是利用計(jì)算機(jī)建模和渲染軟件來創(chuàng)設(shè)虛擬世界，選定一個位置放置相機(jī)，以此來替代人的眼睛，用戶在佩戴頭戴式設(shè)備之后即可進(jìn)入相關(guān)場景；MR則能夠解鎖自然與直觀的3D人類，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與環(huán)境之間的交互。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及諸多領(lǐng)域，屬于多領(lǐng)域集成，為了讓用戶產(chǎn)生更為流暢、飽滿的體驗(yàn)，需要多學(xué)科之間的協(xié)同。首先是數(shù)理科學(xué)，包括信息通信技術(shù)、信息技術(shù)、遠(yuǎn)程控制操作、機(jī)器人技術(shù)等，還需要提供數(shù)學(xué)模型的工學(xué)、力學(xué)和光學(xué)；其次是自然科學(xué)和人文科學(xué)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將自然科學(xué)、人文科學(xué)、工程科學(xué)之間深度銜接起來，發(fā)揮出了學(xué)科之間的交叉優(yōu)勢，但是學(xué)科的交叉也帶來一些問題，比如，其發(fā)展需要各個學(xué)科的齊頭并進(jìn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并不是單一是計(jì)算機(jī)科學(xué)的分支，其涉及的內(nèi)容更加復(fù)雜。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

一是交互性。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠設(shè)置一種虛擬環(huán)境，在向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入指令之后即可完成相應(yīng)的配置，虛擬設(shè)備的運(yùn)動傳感器可以根據(jù)使用者的行為來傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對虛擬場景的控制；二是共享性。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠讓用戶在虛擬環(huán)境中從多角度來看待現(xiàn)實(shí)世界，這是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個關(guān)鍵，涉及運(yùn)維、安全、管理等多個層面；三是沉浸性。用戶在通過佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備之后，能夠建立一個新的信息交流渠道，將用戶的聽覺、視覺轉(zhuǎn)移至虛擬場景中，切斷與外界的聯(lián)系，帶來沉浸感的體驗(yàn)。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的用途較多，目前應(yīng)用較廣的幾個領(lǐng)域包括：

一是學(xué)習(xí)與訓(xùn)練領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛的使用在學(xué)習(xí)和訓(xùn)練中，能夠提供一種新型的模擬器創(chuàng)設(shè)出真實(shí)的情境；二是治療和康復(fù)。在治療領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也得到了廣泛使用，其中最具代表性的就是暴露療法，比如，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠治療幽閉恐懼癥、拉斐爾恐懼癥等。在該種療法中，將患者置于虛擬世界，通過呈現(xiàn)不同程度的場景，將患者暴露在焦慮刺激中，以減少其焦慮情緒。相較于傳統(tǒng)的治療方法，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有明顯優(yōu)勢，醫(yī)生可以自行控制刺激程度，更有助于臨床治療；三是計(jì)算科學(xué)可視化。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠拓展認(rèn)知能力，目前國外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)嘗試將其應(yīng)用在行為科學(xué)領(lǐng)域中，尤其是在結(jié)構(gòu)和大腦活動方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可視化；四是AR游戲。VR游戲是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在游戲領(lǐng)域中的典型應(yīng)用，是游戲從2D發(fā)展至3D的最新成果，這種技術(shù)能夠?yàn)槭褂谜咛峁┞?、觸等感官的模擬，使用者可以身臨其境進(jìn)行自由互動，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟將會影響游戲領(lǐng)域，單一依靠鍵盤、手柄、鼠標(biāo)來操作的游戲?qū)粡?fù)存在，三維的立體化游戲?qū)蔀榘l(fā)展主流；五是虛擬現(xiàn)實(shí)社交。虛擬現(xiàn)實(shí)社交就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造虛擬空間，用戶通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備在進(jìn)入社交空間之后，能夠與陌生人進(jìn)行互動和交流，虛擬社交超越了目前的微信、微博、QQ等社交方式，不再是單一的文字、圖片、語音和視頻交流，能夠?yàn)橛脩魩砬榫盎纳缃粓鼍埃褂脩艨梢愿惺艿綄Ψ降那榫w變化和舉止變化，虛擬社交將會是社交的發(fā)展未來。

二、計(jì)算機(jī)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的應(yīng)用

從本質(zhì)來看虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個分支和組成，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以打造出一個虛構(gòu)的世界，通過對各種真實(shí)事物的模仿能減少技術(shù)投入或者企業(yè)研發(fā)的風(fēng)險，計(jì)算機(jī)技術(shù)也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心所在，是助推虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)迅速發(fā)展的關(guān)鍵。在信息技術(shù)的發(fā)展下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢被體現(xiàn)出來，已經(jīng)成為目前研發(fā)的熱點(diǎn)，信息化技術(shù)被廣泛應(yīng)用在高科技前沿，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用也讓虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與其他學(xué)科之間的聯(lián)系變得更加緊密，關(guān)于計(jì)算機(jī)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的應(yīng)用主要有：

1.球面紋理映射

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展中紋理映射研究一直都是一項(xiàng)難點(diǎn)，這一技術(shù)是實(shí)現(xiàn)圖形學(xué)中圖像真實(shí)感表達(dá)的關(guān)鍵要求，通過計(jì)算機(jī)的像素點(diǎn)來表達(dá)真實(shí)、完整的場景，在三維游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)中都表現(xiàn)出了重要作用。為了描述物體表面的紋理細(xì)節(jié)，需要先將三維物體進(jìn)行二維參數(shù)化，在于參數(shù)化結(jié)果、穩(wěn)定平面之間建立一種映射關(guān)系，在實(shí)際場景中，對于三維物體的參數(shù)化處理難度非常高，因?yàn)榇蟛糠治矬w都是非參數(shù)化畫面拼接而成。因此，需要使用基于中介曲面的兩步紋理映射方法，這種方法的理論是先將二維紋理平面根據(jù)三維物體形狀投射置中介物體表面，這一步是S型映射，再根據(jù)目標(biāo)物體幾何形狀來映射到目標(biāo)物體上。根據(jù)映射范圍的差異，包括整球面紋理映射、半球面紋理映射兩種類型。為了確保真實(shí)度，需要基于映射適應(yīng)卷積理論，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)來解決混疊問題，對各個層面做出標(biāo)準(zhǔn)格柵化處理，對格柵處理后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行映射，再找到節(jié)點(diǎn)混疊后的具體位置。在實(shí)際操作中，計(jì)算人員需要先確定球面形變高斯核范圍，設(shè)置好正方形區(qū)域，在以柵格化節(jié)點(diǎn)的逆映射作為中心，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)格柵，最后在原始圖像中借助映射適應(yīng)性卷積來插值得出映射適應(yīng)卷積結(jié)果。根據(jù)卷積結(jié)果，選擇對應(yīng)的插值方法進(jìn)行重采樣，以解決球面紋理的混疊問題。通過這種方式，可以提升球面三維模型紋理的真實(shí)感，目前，這一技術(shù)已經(jīng)在廣告設(shè)計(jì)、動畫制作等領(lǐng)域得到了使用。

2.三維人臉重建算法

三維人臉重建算法主要應(yīng)用在游戲領(lǐng)域中，在實(shí)際研發(fā)工作中如果沿用傳統(tǒng)的方式來繪制三維人臉模型研發(fā)速度會大受影響，而三維人臉重建算法可以有效解決這種問題，快速匹配人臉三維模型。當(dāng)前這一技術(shù)有混合形變、基于體積回歸兩種類型，前者是使用人工采集數(shù)據(jù)的方式來制作數(shù)據(jù)，得出最優(yōu)權(quán)值組合，后者則主要是借助三維人臉數(shù)據(jù)庫，如果數(shù)據(jù)庫豐富那么會得出較好的設(shè)計(jì)效果，但是該種方法耗費(fèi)的時間較多也更加復(fù)雜。還有一種就是體積回歸方法，需要技術(shù)人員根據(jù)三維空間組成三維網(wǎng)絡(luò)，建立三維網(wǎng)格映射，對其中的體素進(jìn)行渲染，該種方式可以提升模型的精細(xì)度，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練成本較高。

關(guān)于三維人臉重建算法其中會涉及幾個重點(diǎn)內(nèi)容：一是人臉對齊。在拍攝照片時，會受到角度、技術(shù)等因素的影響，這是無法避免的。為了保障人臉特征與匹配的模型相符，需通過旋轉(zhuǎn)方式將模型進(jìn)行轉(zhuǎn)動，與人臉模型進(jìn)行對比，確定特征點(diǎn)位置，在實(shí)際操作中需要采用投影變換的方式分析出人臉的旋近角、自轉(zhuǎn)角和章動角，根據(jù)人臉空間坐標(biāo)等建立方程，確保數(shù)據(jù)不受到誤差影響。

二是混合形變參數(shù)回歸。由于人臉面頰較為光滑，在進(jìn)行操作時還需要額外使用到組合形變模型，先使用參數(shù)回歸方式獲取到人臉骨骼形變模型再做出蒙皮更新，調(diào)整人物臉部模型與五官比例，搜索形變參數(shù)權(quán)值，優(yōu)化人臉輪廓位置。

三是紋理生成。在三維重建完畢后，為了確保人臉形象的匹配度需要根據(jù)實(shí)際情況來使用紋理生成技術(shù)，目前最為常用的就是正交投影人臉紋理生成技術(shù)，可以準(zhǔn)確得出三維人臉模型。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)聲場渲染

為了優(yōu)化用戶的感受還需要促進(jìn)視覺、聽覺、觸覺的深度結(jié)合，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)聲場渲染即可有效改變用戶的體驗(yàn)，提升體驗(yàn)沉浸感。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)聲場渲染技術(shù)的應(yīng)用還存在諸多問題，時間復(fù)雜度較大，聽覺效果不佳等，對此可以使用聲源增強(qiáng)模型，該種模型是建立在視聽雙模定位的基礎(chǔ)上。在佩戴了虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備之后用戶對于聲音強(qiáng)度的判斷主要是通過聲音源與自身的位置距離來判斷，如果使用雙模定位就能夠減少視覺刺激的依賴性，提升沉浸感。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸與趨勢

盡管在計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了顯著進(jìn)步，但是與人的理想之間還存在一定的差距，還有一些技術(shù)瓶頸問題尚未解決，主要表現(xiàn)為：

一是VR顯示技術(shù)。目前VR顯示的分辨率還有待優(yōu)化，VR顯示器還存在顯著的“紗窗效應(yīng)”，影響了用戶的視覺體驗(yàn)，并且運(yùn)算機(jī)能不足，VR渲染對于硬件設(shè)備具有較高的要求，而分辨率越高計(jì)算機(jī)需要處理的像素點(diǎn)數(shù)量也會越多，并且會呈現(xiàn)出幾何倍增長趨勢，特別是視頻游戲，其要求更高，要求顯示器需要達(dá)到9HZ茲以上的刷新率才不會讓用戶產(chǎn)生眩暈，最為理想的狀態(tài)是達(dá)到144HZ以上。從現(xiàn)有的硬件條件來看，為了確保幀數(shù)的穩(wěn)定性不得不降低畫質(zhì)的要求，但會導(dǎo)致呈現(xiàn)出的畫面不太理想，因此硬件機(jī)能是影響虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的一個關(guān)鍵瓶頸。

二是VR交互技術(shù)。目前虛擬現(xiàn)實(shí)控制器的主要設(shè)備有手柄和專用外設(shè)，盡管體驗(yàn)較好但是在使用設(shè)備時依然會存在違和感。另外，現(xiàn)有的交互技術(shù)反饋不足，人的感官體驗(yàn)有視覺、聽覺、觸覺、味覺和嗅覺，VR顯示器滿足了受眾的視覺反饋要求，聲學(xué)系統(tǒng)則解決了聽覺反饋的要求，但是觸覺、味覺、嗅覺方面的問題還未能解決，當(dāng)前對于觸覺的解決還是停留在雙手反饋上，大多數(shù)設(shè)備只能進(jìn)行簡單的震動，其他的幾類刺激研究還處于實(shí)驗(yàn)研究階段。

三是VR場景技術(shù)。當(dāng)前追蹤定位還不完善，VR的追蹤定位方案有被動式和主動式兩類，被動式就是利用外部獨(dú)立設(shè)備來進(jìn)行追蹤，目前主動式方案還沒有發(fā)展成熟，需要在外部空間中設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，因此現(xiàn)有的場景多是被動式方案，存在硬件成本高、追蹤角度不完美等問題。另外，運(yùn)動場景也不太成熟，受制于無線技術(shù)、追蹤定位技術(shù)的影響，大多數(shù)VR還是停留在小范圍的層面，以VR游戲?yàn)槔?，目前解決的僅僅是座艙駕駛類游戲類型，而關(guān)于人體運(yùn)動題材，由于需要豐富的動作反饋和活動空間，尚未研發(fā)成熟。除此之外有線連接也不太便利，這無疑在物理層面上限制了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，為了為用戶提供較強(qiáng)的沉浸感，需要擺脫線纜束縛，但是當(dāng)前的通訊技術(shù)還無法滿足這一要求。

盡管目前的技術(shù)層面存在限制，但是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)依然有著較好的發(fā)展前景，可以預(yù)見的是，虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品將會成為下一階段的發(fā)展主流，虛擬現(xiàn)實(shí)市場也得到了業(yè)界認(rèn)可，一些核心器件廠商正式加入到研發(fā)活動中，而計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子元器件一直都是影響虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的兩個技術(shù)問題。目前越來越多研發(fā)巨頭的進(jìn)入能夠從技術(shù)層面取得突破，從現(xiàn)有的新聞案例可以看出，虛擬現(xiàn)實(shí)的市場潛力已經(jīng)得到了整個行業(yè)的認(rèn)可，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會在未來幾年內(nèi)得到一次重大的技術(shù)突破，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提升至新的發(fā)展層次。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的、涵蓋多領(lǐng)域的技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于人類的生產(chǎn)、生活領(lǐng)域，影響十分廣泛。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和推廣，與之相關(guān)的倫理問題也曾出不窮，如本文所闡述的虛擬世界在人物、內(nèi)容、行為等方面的設(shè)計(jì)中存在的倫理問題，虛擬化身所造成的責(zé)任歸屬問題，虛擬化身對主人格的影響，虛擬世界中產(chǎn)生的心理傷害、思維操縱、隱私侵害問題，這也是下一階段需重點(diǎn)解決的問題。

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的推廣過程中，需要融合各類信息對現(xiàn)實(shí)環(huán)境的實(shí)體進(jìn)行仿真，其中計(jì)算機(jī)技術(shù)就是其發(fā)展的前提條件，虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)技術(shù)之間密不可分。為了助推虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展需要根據(jù)這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)有的發(fā)展問題，充分借助計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，解決目前設(shè)備、軟件等各方面的問題，助推虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的穩(wěn)定和健康發(fā)展。

（作者單位：臨沂職業(yè)學(xué)院）