虚拟现实组成及关键技术浅析

胡章荣 西华师范大学教育信息技术中心

1 虚拟现实概念

VR技术，又称虚拟实境或灵境技术，它以计算机技术为主，融合多种技术来产生的逼真的虚拟世界，并通过传感器、虚拟仿真、伺候服务、3D显示、多媒体等多种复杂技术来营造视觉、触觉、嗅觉等多种感官体验，使处于虚拟世界中的人产生一种身临其境的感觉。

2 虚拟现实的组成

典型的 VR 系统主要由计算机、应用软件系统、输入输出设备、用户和数据库等组成。

计算机是VR系统的心脏，主要用于虚拟环境的生成和与用户的交互，由虚拟现实系统的复杂性，在建模和实时交互中需要进行大量的计算，因此生成VR的计算必须具有较高的配置。输入输出设备是信息交互的接口，在VR中采用特殊设备将用户的交互信息输入系统，并实时做出响应。常用的方式是数据手套和头盔式显示器，头盔式显示器中的空间位置跟踪定位设备既能感知运动物体的位置及旋转方向的变化，也能检测到自己在环境中的位置，从而计算物体大小、形状、位置等各个参数，并根据这些参数建立物体模型。在VR系统中，物体的模型包括几何模型、物理模型、行为模型三种，每种模型都是对物体不同侧面的仿真。软件系统除了对物体模型的建立外，还要将声音进行渲染生成三维立体声，并将环境中的各种软件和模型的数据信息存储到数据库。

3 拟现实关键技术

虚拟现实的目的是用计算机创建虚拟空间，用户能与之进行视觉、听觉、触觉、嗅觉等全方位交互。要实现这种目的，除了需要有一些特殊的硬件设备，还必须通过其他相关技术及软件加以保证。如要随视角移动实时显示变化场景的3D图像，仅靠设备是远远不够的，还应有相应的压缩算法等技术相支持，由此可见，要实现虚拟现实的功能，不仅需要强大的硬件系统，对相关的软件和技术也提出了较高的要求。

3.1 环境建模技术

虚拟环境是虚拟现实的核心，只有对真实环境中的物体建立逼真的模型，才能保证VR的可信度。建模的主要目的是获取真实物体的三维数据，并根据需要将三维数据转换成虚拟环境中的模型。与数学模型不一样，虚拟环境中的模型是对真实环境中事物的反映，具有多样性、可操作性和个体行为性等特点，能实时与用户进行交互并作出及时响应。目前，虚拟环境的建模技术主要是三维视觉建模和三维听觉建模，三维视觉建模是应用最广泛的建模技术，它可以分为几何建模、物理建模、行为建模等。几何建模技术用几何的方法来对研究对象进行表示和处理，主要是对物体图像结构的描述和对应模型数据结构的构造。常用的几何建模工具除了VR特有的OpenGL、Java3D、VRML等外还有AutoCAD、3DSMAX、Softimage、Pro／E等，用户可交式地创建某个对象的几何图形。物理建模技术主要是为了研究对象的物理属性，常用的有分形技术和粒子系统技术。上述这两种建模技术相结合让构建的虚拟模型看起来真实，动起来真实，但要使虚拟环境更真实，还必须结合行为建模技术，行为建模技术是对对象物理运动和行为特征的描述。一个对象如果没有行为特征，那么它只是一个静态的模型，没有任何生命力，对VR没有任何意义，也就是说模型不仅要有形状、大小、颜色等静态属性外，还必须具备动态属性，能随着周围环境变化或人的操纵行为而发生符合其本质属性的变化。行为建模技术主要分为运动学仿真技术和动力学仿真技术。

3.2 实时三维图形绘制技术

实时三维图形绘制技术指利用计算机为用户提供一个能从任意视点及方向实时观察三维场景的手段，它要求当用户的视点改变时，图形显示速度也必须跟上视点的改变速度，否则就会产生迟滞现象。要在VR中获得真实的沉浸感，就必须在用户的立体眼镜或HMD的左右眼显示器上获取场景画面的三维立体像，形成立体视觉；同时，随着场景中对象的移动或用户位置信息的变化及时显示不同的视觉画面。通常在一个VR环境中，需要对成千上万个场景进行实时绘制和显示，因此必须采用高性能计算机及设计好的数据组织方式才能确保场景的实时更新要求。实时三维图形绘制技术主要分为基于几何图形的实时绘制技术（包括预测计算、脱机计算、场景分块、可见消隐、细节层次技术等）和基于图像的实时绘制技术。

3.3 三维虚拟声音的显示技术

三维虚拟声音系统是指声音来自于一个球形空间，人耳通过声音便能识别声音来源的具体位置、声音的距离等。三维虚拟声音显示具有全向三维定位、实时三维追踪、增强沉浸感等特征，能让处在虚拟环境中的用户感觉声音来自于双耳周围的球形空间，并衬托视觉效果判断出声源的准确位置，从而增强了用户在虚拟世界中的沉浸感和交互性，同时也可以减少视觉压力，增强大脑的感应强度，让用户更具有真实交互感。当前，三维虚拟声音的显示技术的研究主要集中在人类的听觉模型与头相关转移函数及语音识别与合成技术两个方面。

3.4 人机交互与传感技术

虚拟现实之所以能让人获得身临其境的感受是因为在虚拟环境中用户可以直接与虚拟环境中的对象进行自然交互，而感觉不到计算机的存在。在VR领域中较为常用的交互技术主要有手势识别、面部表情的识别以及眼动跟踪等。手势识别主要借助于数据手套和空间定位装置实时跟踪定位手的动态，包括手的形状、空间位置、移动方向、手指弯曲程度等手势信息，并根据这些信息做出相应的反映，根据识别方式的不同可以分为基于数据手套的识别和基于视觉（图像）的手语识别系统两种。面部表情是表达人情绪的一种方式，人在与周围环境进行交互时会表现出不同的面部表情，要让参与者获得真实感，就必须对人脸的各个部位，如耳朵、鼻子、眼睛等做出准确的定位和识别。根据对人脸知识的利用方式，人脸检测可以分为基于特征的人脸检测方法和基于图像的人脸检测方法，第一类方法一般通过模式识别的方式来对人脸肤色、人脸的几何结构、人脸大小等特征进行模式识别；第二类方法将人脸检测问题看做一般的模式识别问题，直接将待检测图像输入系统，并通算法进行训练，然后对输入的图像分为人脸和非人脸两类，检测人脸时将可能的人脸区域于两类数据做比较，就可以知道检测区域是不是为人脸。

总结：文章首先介绍了虚拟现实技术的概念，分析了虚拟现实系统的组成及系统中各部件的功能，然后对虚拟现实的关键技术及与技术相关的虚拟系统硬件设备进行了介绍。