虚拟现实技术沉浸感提升的研究

摘 要：虚拟现实技术是随着科学和技术的进步而兴起的多科学支撑的新理论技术，综合集成技术，设计计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域。通过输入和输出设备激发体验者听觉、视觉、触觉等多方感官体验，从而达到身临其境的感受。虚拟现实技术在工业、教育、医学、航天，军事、生活体验领域均有应用。虚拟现实技术在军事方面的应用，有助于解决资源问题、环境问题、以及需求多样性问题。训练的效果受到虚拟场景提供给训练者的沉浸感、真实性的影响。因此提升VR虚拟场景的沉浸感和真实性就尤为重要。

关键词：虚拟现实技术；军事；沉浸感

一、VR行业概述

VR技术就是借助于计算机技术及硬件设备，实现一种人们可以通过视听触嗅等手段所感受到的虚拟幻境。VR是一项综合集成技术，设计计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域。VR设备又被分为输入和输出两大部分。输入类的设备主要有控制手柄、手势识别、动作捕捉等。输出设备有外接式VR头盔、一体式VR头盔、智能手机VR眼镜。多媒体技术及产品的发展在21世纪这个以信息技术为主要标准的高新技术产业比重不断增加的信息化的社会迅猛的发展。虚拟现实技术是随着科学和技术的进步而兴起的多科学支撑的新理论技术。虚拟现实技術在军事方面的应用，有助于解决资源问题、环境问题、以及需求多样性问题。

二、VR行业在军事方面的发展

虚拟技术的发展大致分为三个阶段。20世纪50年代，VR准备阶段。20世纪80年代，是VR系统化，进入实际应用阶段，80年代末，进入迅猛发展的阶段。美国是最早对虚拟进行技术研发的。大规模应用始于第二次世界大战，美军的飞行员感慨，执行任务过程中，见到的环境和在训练时模拟器中见到的场景几乎是一致的。美军训练的三维地形环境是综合了航空图片、卫星影像、数字高层地形数据生成的。通过这样的高分辨率的作战区域模拟训练，减少了实战时的伤亡数量，提高了作战效率。

三、VR技术在军事方面的应用

VR技术在军事方面的主要应用有构建虚拟战争环境、进行单兵模拟训练、通过网络进行异地同环境作战训练、进行军事指挥人员训练、提高指挥决策能力。VR技术在军事方面的应用除了可以对作战人员进行训练，还可以帮助武器研发人员缩短研制周期。利用分布交互是网络提供各种虚拟环境，对武器设备的作战技术性能及操作的合理性进行合理的评估，在一次次的检验中最终贴合实战要求。

四、如何提高VR场景的真实性和沉浸感

训练的效果受到虚拟场景提供给训练者的沉浸感、真实性的影响。沉浸式的VR环境能够营造生动、逼真、身临其境的场景模拟，同真实的训练场景一样，也会给大脑直观、真实的感受，大脑的本能会专注于虚拟的场景中，从而起到和真实训练一样的训练效果。因此提升VR虚拟场景的沉浸感和真实性就尤为重要。

本次制作的海军虚拟训练系统，主要通过视觉、听觉、触觉提供给用户真实感和交互手段，使海军在虚拟的环境下获得与环境的交互体验，并可以在三维空间内没有局限的观察。

沉浸感和真实性的主要影响因素是模型的质量。影响模型质量的主要因素有UV接缝数量，材质的凹凸、反光度、高光。制作模型时要采用英文命名，UE4对中文命名会出现错误的识别。模型制作分为前期和后期，前期制作高模，后期拓扑成低模。高模的制作，需要顾及到模型中的每一处细节，可以暂时不考虑布线的数量。在高模的基础上利用3ds max中石墨工具拓扑成低模。其次在拓扑成低模时也要注意对精度的把握。将这样可以尽可能的降低场景的面数，提高后面交互运行的速度。

模型的uv，通常在3ds max自带的展uv功能中制作uv，但是它相对比较费时间，而且展出的uv效果也不是很理想，贴图也不好绘制。在本次的制作中用到一款专门用来制作展uv的软件Unfold3d。它是一款快速、高效、事半功倍的高质量uv拆分软件，相对于3ds max它操作界面更加直观简单易懂，而且擅长游戏角色模型的uv拆分。方法：在三维软件中输出obj格式或者fbx格式的文件。在选择切割边时，软件可以自动延长需要切割的编辑线。Unfold3d是用模型的编辑线来进行分割的，在分割完之后就可以直接选择自动展开。然后存储导入3ds max中进行塌陷，准备烘培。

利用高低模烘焙，需要烘焙出法线贴图、高光贴图、AO贴图。3ds max中自带的烘焙功能，有一定的局限性。在3ds max中烘焙法线和高光贴图都需要单一烘焙。且需要精准的设置封套，这就对一些不规则的模型具有一定的局限性，对高模面数有了一定要求的，面数越多烘焙的速度越慢，对机器的配置也有一定的要求。所以本次制作中用到一款专门用于烘焙法线贴图的软件xNormal。优点是不用显示出模型，所以对模型面数没有要求。在xNormal中，采用的是选择性全面烘培。这一功能非常适合高精度的模型制作。

下面到了贴图绘制阶段。本次制作中用到的软件是Substance Painter。Substance Painter是最新的次世代游戏贴图绘制软件。它具有特有的功能，比如很多粒子笔刷，随机笔刷，也可以模拟自然下落。粒子的轨迹形成纹理也可以随机设置。每个材质球都可以创建自定义的项目模板。还新添加了汽车车漆材质球、dota材质球、柔性材质球、还可以烘培贴图、新的mask遮罩生成器等。Substance Painter是基于PBR渲染技术，在HDRI环境贴图的照射下，光线非常逼真。而软件自带的材质也很逼真，显示的效果非常好。Substance Painter可以烘焙出法线贴图、世界空间的法线贴图、ID贴图、AO贴图，CURVATURE（曲面）贴图、位置贴图、厚度贴图。

五、总结

虚拟现实技术的应用前景是广阔的，但仍然存在不足。针对沉浸感真实性这一方面而言，不仅要提高模型的质量，还要提升虚拟设备的显示分辨率和互动体验感。近些年来，随着虚拟现实技术的快速发展和在各个领域的应用，也开始认识到虚拟现实技术在军事方面应用的巨大优势。我国也开始增大军事领域虚拟现实技术的关注和投入。可以预见的是，虚拟现实技术在各个领域的发展将发挥更大优势，提升制作效率，减少大量经费的投入，将会给设计行业带来巨大影响。

参考文献：

[1]栾悉道，谢毓湘，吴玲达，宋玉强，农海斌；虚拟现实技术在军事中的新应用[J]；系统仿真学报；2003年04期

[2]董志明，郭齐胜，宋敬华，李巧丽；海陆战场环境的实时视景仿真[J]；系统仿真学报；2003年11期

[3]虚拟现实技术[J]；航空计算技术；1994年01期

[4]申蔚.虚拟现实技术.清华大学出版社，2009.

作者简介：

刘晶钰（1996-），女，天津工业大学本科生，动画专业。

*项目基金：2018年度大学生创新训练计划项目，项目编号：201810058147