关于虚拟场景应用技术的实用性研究

张晓楠?马迎梅?杜剑波?侯宾川

摘要：虚拟场景技术是一种全新的可以创造和感受虚拟世界（VirtualWorld）的计算机技术，它利用图形工作站生成一种数字的虚拟环境，是一种多输入信息交互式的三维动态场景和实虚交互行为的系统模拟，可借助头戴式传感器、3D定位手套等工具设备，让用户沉浸在虚拟的空间，实时感受和操作虚拟环境中的各种物体和情景，从而通过各种感官等获得身临其境的真实感受。

关键词：虚拟场景应用;计算机VR发展;头戴式计算机

1、引言

虚拟场景应用技术又称虚拟环境或赛伯空间，是一种可以创造和感受虚拟环境的计算机技术，它利用高性能图形工作站生成一种数字环境，是一种多输入交互式的3D动态场景的仿真系统，通过头戴式传感器、3D定位手套等可穿戴设备，让用户沉浸在虚拟的空间，实时感知并操控虚拟环境中的的各种事物。

2、技术特点

虚拟场景应用技术的主要特点可以概括为沉浸感、可交互和重构性。沉浸感是指用户以第一人称存在于虚拟场景中的真实程度。理想的虚拟场景需要达到难以区分辨别真假的程度。比如视觉内场景应随着身体位置的的变化而变化，甚至超越现实的效果，比如渲染出比现实更真实的GI和环境混响效果等。可交互是指用户对虚拟场景内的事物的可控制程度和从场景得到响应的程度包括延时程度。例如用户可以用手拾取虚拟场景中的数字对象，此时手需要有触碰感，并估计出物体的质量，场景中被拾取的数字对象可以随着真实手掌的位移而位移。

3、支撑硬件

在虚拟场景应用系统中，硬件支撑设备主要包含三大部分：输入设备（Input）、输出设备（Output）、虚拟场景渲染设备（Render）。此外虚拟场景应用系统还需要虚拟场景的相关技术。有关虚拟场景应用系统的输入主要包含两大类设备：一类是基于人体动作的的可交互穿戴设备，主要处理对虚拟场景信息的输入;第二类是3D定位设备，主要处理对输入设备在3D空间中的坐标进行定位计算和场景映射，最后输入虚拟场景应用系统的渲染引擎中。 虚拟场景与人体进行交互的方式多种多样，有通过声音进行识别的、基于不同动作的手势的等，如数字骨骼手套、三维动作捕捉器等。动作手势是人类与真实世界中物理接触及思想表达的主要窗口之一，同样可以应用到人机交互场景中。基于手势的普通交互形式贴合人体结构，操作简单，相应的交互设备也非常丰富，其中最为常见的就是数字骨骼手套。数字骨骼手套是美国VPL公司在上个世纪80年代推出的一类基于手势的传感器的专有名称。到如今数字骨骼手套已被广泛应用在虚拟场景的各种应用中。

虚拟场景渲染设备主要包括高性能个人电脑、高性能圖形渲染工作站、高并发的计算机组群和分布式计算机系统四大类。 虚拟场景应用的相关技术主要有3D视觉渲染技术，次世代环境建模技术，全局光照实时渲染技术，立体混响实现技术等。人们从客观世界中获取的信息的途径主要是通过视觉，视觉数据的获得是人类感知外部世界最重要的传输通道，进而视觉方式成为虚拟场景系统中最重要的技术处理方式。在3D视觉渲染技术，实现3D显示效果是最为复杂与重要的，3D视觉渲染技术是虚拟场景应用系统的核心技术。在虚拟场景应用系统中，构建的数字环境是它的基础内容，要构建虚拟环境，首先就要进行构建模型，接着在基本模型的基础之上再进行颜色贴图、透视效果显示，最终形成一个虚拟的数字环境。次世代环境建模技术的目的在于构建并渲染出实际3D环境的数据，根据业务需求构建出相应的虚拟场景。只有设计出和真实世界相同光影效果的模型，虚拟场景应用系统才能达到足够的沉浸感。就现在的三维视觉建模技术水平，基本仅限与3D场景建模和三维环境混响建模。

4、辅助高危教学应用

虚拟场景应用技术在辅助高危教学中的应用。比如高压维修课程实践性很强，只在文字和图片上去学习会给学习者的实操掌握上带来困难。利用虚拟场景应用技术可以将文字、声音、图片、实体模型等多做种数字物体表现形式系统的、有情节的地结合。虚拟场景应用技术课件的一般步骤为：构建一系列环境形体的三维模型，然后为这些模型贴付相应的纹理和设置真实的比例大小等。将完成的虚拟场景模型导出为FBX格式文件，进而导入虚拟场景渲染引擎，建立虚拟场景环境空间，优化虚拟场景。为了增强感性认识，并使学习者对电力高压设备的组装有一个基本了解。利用虚拟场景应用技术的动画演示，虚拟出组装电力高压设备过程中所需的主要硬件，再通过理论文件嵌入到视觉UI的方法，使学习者既能在视觉UI中观察到2D形式硬件结构原理的图片和文字，又能看到3D形式的虚拟场景展现出来的更真实的设备模型。这样从多种角度使学习者更真切地、感受并理解高危电力设备的结构原理和组装过程，一切都在虚拟场景应用系统中有条不紊的进行，而且避免了真实高压设备给学习者带来的安全隐患。

5、效果展示间应用

虚拟场景应用技术在效果展示间的应用。效果展示间是一个楼盘的脸面，其展示的效果是否达到消费者的预期直接影响房子的销售，使用虚拟场景应用技术可以给用户带来超预期的效果，在不用进入未完工的有危险的实体建筑时就能用一种更直观的展现形式让用户真实的看到房间的格局以及装修的效果。与传统的表现形式相比，还可以从非常规角度来观赏整体的房间效果，比如漂浮在空中，从高层楼外来观看室内等等。虚拟场景应用技术在效果展示间的一般步骤为：利用3DSMax对实际的展示房间进行建模和场景搭建，以便可以在室内外进行全角度漫游。利用HTC VIVE头戴式设备提供沉浸式的近乎真实的3D虚拟场景效果，并且在虚拟场景中进行精确定位，实现与环境效果的交互。通过简单的UI操作，随意的切换虚拟场景里摆放的各种对象，切换不同的季节和时间点，不止可以在空间上全方位的感受展示效果，还可以跨域时间纬度进行全方位的感受。而且还避免了真实建筑内可能带来的高空坠物的危险给用户造成的安全隐患。

结束语

虚拟场景应用技术是一个极具潜力的前沿研究方向，是面向21世纪的重要技术之一。 它在理论，软硬件环境的研究方面依赖于多种技术的综合，其中有很多技术有待完善。可以预见，随着技术的发展，虚拟现实技术及其应用会越来越广泛。

参考文献

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[2] 米丹，王琴，王春洁，基于Unity3D的样板房虚拟现实漫游[J]，现代计算机，2019年24期

[3] 梁华勇，虚拟现实技术及其在高校中的应用，2005

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