VR系统中图形渲染和视觉传达研究设计

曹硕 沈阳职业技术学院

随着科技的不断发展，计算机水平也随之不断提高，而计算机系统中的VR系统通过呈现出具有真实感的模拟环境为人们带来丰富多彩的感受，人们通过图形渲染技术将脑海中想象的图像通过计算机呈现出来，同时结合立体视觉原理更完美地展示虚拟空间。

一、虚拟现实技术介绍

所谓的虚拟现实技术，实际上是一种高新技术，它的核心是运用了计算机技术，在生成的虚拟世界中，运用多投影的环境和虚拟现实中的头戴设备，在物理的环境中利用传感器作为道具而制作出仿真的图像、传神的声音，使用户在虚拟环境中产生真实的感觉。在使用虚拟现实设备在虚拟世界中操作时，要同时运用虚拟现实技术在里面移动，也可以和虚拟世界中的产品进行交流互动，虚拟现实头戴设备是虚拟现实技术中最重要的设备，它是由头戴式显示器所组成的，它能利用光学系统将普通显示器中形成的图像经过处理放大，将所产生的图像在更远的地方显示，而达到几米或者数十米以外的效果。这种效果还可以通过另一种方式来达到，在带有很多大屏幕的空间运用专门的设计来实现。在以往的计算机界面中，大多是通过鼠标、键盘以及图形显示界面来操作，而虚拟现实技术除了拥有这些功能外，还能使用户达到身临其境的感觉。用户在虚拟现实世界中，能够和形成的三维立体场景进行互动，充分感受虚拟世界的真实感。虚拟现实技术是以用户达到沉浸感为最终目标，而这种目标的实现需要VR系统以及视觉交互两种方法相配合来完成。在VR系统中，会形成一个具有真实感的虚拟世界，而这些真实感是缘于虚拟世界中所构建的物体立体感和仪式感，运用所有感官的所有可能性去感知虚拟世界。

二、基础图形渲染管线流程的研究

（一）渲染管线

渲染管线，它以一个概念模型而存在于计算机图形学科中，如何使一个3D的场景在2D屏幕上体现，需要通过怎样的图形系统来操作，详细地描述了操作的具体步骤，基础图形渲染管线，实际上就是数据的一系列处理过程，要想达到渲染图像效果，运用应用程序中的一些数据来转换。渲染的流程具体分三步，第一，将几何图形中的顶点、相关属性数据在应用程序的客户端进行设置；第二，将设置好的数据传输到着色器中进行二次处理，使处理结果输出到下一阶段；第三，在2D屏幕中得到渲染后的图像。

（二）顶点处理与三维观察

顶点处理与三维观察的对象是在顶点缓冲区中存储的输入点，将这些输入点进行三维几何的变换操作，而顶点处理时要将状态调整为可编程程序。在对顶点处理进行转换时，三维处理的对象要经过转换，使三维对象在对象空间中调取出来，最后转换到裁剪空间中去。

（三）片元处理和输出合并

在对图像进行光栅化处理之后，每个图元就已经生成了一组片元，而这些片元和像素网络都能够有一个对齐的位置，片元中的坐标有颜色、深度、纹理和法线之分，它的这些属性数值是通过进行扫描转换的过程中，通过线性插而形成的。在运用以上的属性值进行片元处理时，要对每个片元的颜色数据进行确定，这样，才能使最终形成的图像效果更佳。

三、立体视觉原理和光学系统设计

（一）立体视觉的基本原理

在VR系统中，立体视图是其中最重要的环节，在虚拟世界中，人们所感受到的真实性则是由立体视图所呈现的，而立体图像的产生是成对的，一个人所注意到的物体的视觉角度，同一场景中的不同角度所产生的效果也不同。立体视觉相对于人类而言，它是一种双目视觉效果，能够给人们带来一种深切的感知，这种视觉效果能够在眼睛所关注的不同视角状态下，呈现出不同的立体视图来实现。而具有双目重叠和光场的人类及动作中大多具有这项能力。立体视觉是一种线性交叉原理，光在发生光源时，一小部分的光则通过物体的反射，射向与人眼相反的方向，当光线较弱时，射入人的眼睛瞳孔中则消失。在此过程中，需要处理的信息有两个，第一，进入到人体眼睛中光源的位置；第二，在人眼视网膜中所产生的信息。

（二）眼睛跟踪和校准

人类大脑中要想出现正确的图像，需要瞳孔和虚拟相机的位置重合来实现，在人眼中，瞳距大约有6.35厘米左右，如果观察者在小于2.5英寸瞳距时，所观察到的虚拟相机和观察者瞳距距离之间存在差异，当虚拟物体在显示器上投射出其实际位置时，可以从相机的空心圆圈中看到，在人眼中所能看到的光线则是两条直线来传输的，人们所看到的虚拟物体位置则是错误的，这种情况下，则会使图像形成扭曲。

（三）头戴显示实现方法及其光学系统

因为在定焦光学系统中，如果对其视度进行调节，会使视度具有放大性特点，这样，将不能与双目图像形成一致，极易使观察者出现眩晕现象，严重者还会形成重影。因此，面对这些技术上的缺陷，运用一套使双目放大率保持一致的光实方式，和智能手机进行匹配，而此光学的外形结构，则运用三片透镜来实现，这三片透镜中要用两片采用玻璃球面结构，此类透镜相对环保而且成本低；另一片透镜要采用非球面结构。

（四）光学图像畸变与色差

在进行视度调整时，只要使COC透镜移动，手机屏幕与眼睛之间的距离保持在66毫米。因为在调节时，产生的焦距在发生着变化，就能使人们在不同的角度所看到视场角和屏幕的大小保持一致。系统中的变焦能够使屏幕半视场在42毫米，而视场角在出瞳处停留在42±1度。

结语：现阶段，虚拟现实技术被应用到各行各业中，但一些项目还在实验阶段，要使VR系统更好地应用到人们的生活中，图形渲染和视觉传达是必不可少的，对这两项技术进行更深层次地研究，才能使VR系统得到更完美地运用。