虚拟现实技术浅析

武瑞峰

摘 要：虚拟现实就是由计算机生成逼真的虚拟环境，使用者借助先进的接口设备，模拟人类的感知系统感知虚拟环境中的事物，并作出相应反应和动作实现交互，目前主要的交互方式主要有视觉、触觉、听觉，嗅觉、味觉、方向感等尚在研究中。

关键词：虚拟现实；接口设备；沉浸感；创造性；交互性

中图分类号：TP3 文献标识码：A

0.引言

虚拟现实（Virtual Reality）是1989年由美国Jaron.Lanier 发明的，是指在电脑中人工构造一个三维的虚拟环境，用户借助一些接口设备“进入”到虚拟环境中去，通过视觉、听觉、触觉等感官以自然的方式及时、充分地观察、感知并干预三维空间内的事物、环境，从而产生如同置身于相应的真实环境中的沉浸感，其实质是高度逼真地模拟人在现实生活中视觉、听觉、动作等行为的交互技术。

1.虚拟现实技术

虚拟现实技术是许多相关学科领域交叉、集成的产物。主要涉及的领域有计算机图形技术、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术、传感器技术等。它的研究内容主要包括以下几个方面：如图1所示，借助高科技手段在计算机中建立接近真实的或人主观构造的虚拟的环境；用户借助接口工具或设备以自然的方式感知和干预虚拟环境中的事物。与传统的交互方式相比，其显著的特点是采用语音识别和动作识别技术，使用户可以感知虚拟的环境并干预环境。

图1虚拟现实系统的组成

虚拟现实技术分为桌面式虚拟现实、分布式虚拟现实、沉浸式虚拟现实和增强式虚拟现实，桌面式虚拟现实是最易实现、应用最广泛的系统。分布式虚拟现实是多个用户通过计算机网络连接在同一个虚拟世界，共同观察和操作，其应用前景广泛。增强式虚拟现实的典型特点是使真实世界与虚拟世界叠加以实现更强的体验效果。沉浸式虚拟现实可以提供更强的沉浸感。

2.虚拟现实系统

如图2所示，一个典型的虚拟现实系统由高性能的计算机系统；空间数据采集系统、人体数据捕捉系统；输入设备、输出设备构成。输入输出设备同属于三维交互设备，设计和制造出性能优越的三维交互设备是虚拟现实技术的关键。

2.2虚拟系统制作流程

要实现虚拟现实，首先要尽可能详细、接近真实地表达出虚拟现实场景的几何信息。这就需要详尽的建模。目前常用的建模方法有：多边形（三角形）网格表示方法、结构立体几何表示方法、体数据表示方法（volume-based method）及细节层次和纹理映射的方法。这些方法常结合使用。当用存储数据方法来构建逼真的三维模型较为复杂且数据特别庞大的几何数据时，常采用的纹理映射的方法。建模之前要进行数据准备及处理：通过空间数据采集系统、人体数据捕捉系统为虚拟环境建立数据支持（来自现实世界中的图形、图像、照片、及相关数据），把采集到的数据和照片进行处理后进行环境建模。

虚拟现实项目的开发流程为：利用3DS MAX等三维建模软件进行三维建模，展UV，导入PHOTOSHOP 中对三维立体模型进行纹理贴图和渲染。最后在VR的引擎完成交互制作。其制作流程如圖3所示。

3.虚拟现实中关键技术

为了实现虚拟显示的沉浸特性，系统必须具备人体的感官特性，包括视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等。目前，虚拟仿真技术主要是视觉，听觉和触觉有所发展仍不够真实，嗅觉和味觉尚在研究中。

3.1视觉生成技术及立体显示技术

据统计，人类对客观世界的感知信息75%～80%来自视觉，主要视觉生成设备为头盔显示器（Head Mounted Display， HMD）眼镜式显示器、双目全方位显示器（BOOM）等。

视觉生成基本原理为光线跟踪的方法。即通过求出不同视点的光亮度，来生成完整的具有真实感的场景。因此，在构造虚拟环境的过程中，首先要根据设计要求用三维建模软件建立所需要的三维场景。再通过透视变换将三维场景转换成二维的视图。第三步是确定视图中的可见面并利用隐藏面消除算法将视域之外的或被其他物体遮挡的不可见面消去。最后按照光学物理中光照模型计算可见面投射到观察者眼中的光亮度和色彩，从而确定投影画面上每一个象素的颜色，最终生成所设计的虚拟现实的视景，在视景制作中，最常用的的是纹理映射技术（texture mapping），就是利用三维建模软件（3DSMAX和Maya等）建立简单的几何模型，再在软件中（PHOTOSHOP）贴上对应的逼真图片即可。

如图4所示，目前的立体显示技术基本上是基于双目视差原理实现的。两眼空间位置的不同，是产生立体视觉的主要原因。在虚拟环境中，由两个虚拟观察点分别透视投影，得到有双目视差的两个图像。从而为体验者提供有双目视差的图像实现立体显示，但目前还没有实现人类的深度感。

图4立体显示原理

3.2声音生成技术

虚拟技术中的人-机-环境交互中需要生成逼真的三维声音信息。主要方法是建立音源的数据库、声音的环境特性数据库和方位脉冲响应数据库（HRTF Map）。然后通过三维声音的实时处理合成：音源的生成、声音与虚拟环境脉冲响应的卷积处理、声音与人耳滤波器的实时卷积、声音的各分量叠加得到三维的虚拟声音信号， 经 D/A 变换后送耳机输出以实现三维的声音信息。听觉通道需解决的是为人的听觉系统提供感觉置身于立体的声场之中的、能识别声音的类型和强度并能判定声源的位置的接口。其技术难题在于合成由接口提供的虚拟声音信号并使声音在虚拟空间定位及发声设备的问题，目前主要采用立体音响和语音识别。

3.3 触觉与力觉生成技术

触觉通道的作用是当人体在虚拟空间中运动时，如果接触到虚拟物体，虚拟显示系统应该给人提供这种触觉和力觉。现有的VR系统中，已经考虑了触觉和力觉显示。但是目前的技术还不能完全模拟真实的触觉，只能用振动来模拟触觉部分效果。常见的力学反馈装置为数据手套。

3.4身体位置跟踪

目前主要有位置跟踪技术主要有磁力追踪、声学追踪、惯性追踪。磁力追踪通过衡量不同方向上磁场的强弱来实现。人位置跟踪和映射常用的技术包括：机械链接、磁传感器、声传感器、光传感器等。

结语

虚拟现实最终需实现的目标是虚实的一致性问题，即我们能从虚拟环境中获得和真实情境中同样的感受，即获得沉浸感和舒适度。为了实现虚拟显示的沉浸特性，虚拟系统必须具备人体的感官特性，包括视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等，目前，虚拟现实。目前虚拟现实进入了高速发展的时期，但依然存在以下问题：

由于接口设备需通过线缆连接到计算设备上而限制使用者的活动范围；

设备笨重，容易产生疲劳和晕眩感；

还没有模拟味觉、嗅觉的虚拟设备。

参考文献

[1]史铁君.虚拟现实在教育中的应用[D].东北师范大学，2008.

[2]祝奎臣.基于Multigen的船舶机舱虚拟漫游技术研究[D].上海海事大学，2006.

[3]杨奕.基于CMMI的教学课件的标准化开发流程的研究[D].天津大学，2009.

[4]崔蓬.基于虚拟现实的低成本3D声音系统设计与评估[D].江南大学，2008.

[5]谢健，等.虚拟现实技术研究[C].中国电子学会第十七届信息论学术年会，2010.

[6]罗福元，王行仁，彭晓源.声音渲染技术及其在虚拟环境中的应用[J].系统仿真学报，1999（5）：364-367.

[7]王党校，焦健.计算机触觉：虚拟现实环境的力触觉建模和生成[J].计算机辅助设计与图形学学报，2016，28（6）：881-895.