计算机虚拟现实技术的关键点及应用研究

孔瑶

关键词：计算机；虚拟现实；应用场景

1引言

现阶段，我国科技水平不断提高，计算机虚拟现实技术在诸多领域中得到广泛应用，计算机虚拟现实技术也称之为VR技术，该项技术是目前国际上正在研究的一种高新技术。该技术主要依托计算机硬件设备构建与现实世界高度相似的虚拟现实场景，引导使用者沉浸在虚拟现实场景中并开展各类社会生产活动，这对各行业的发展有重要的现实意义。与此同时，计算机虚拟现实技术在实际应用期间面临场景单一等问题，需针对计算机虚拟现实技术关键点进行深入研究，最大化地挖掘计算机虚拟现实技术的潜力和价值。

2计算机虚拟现实技术的关键点

2.1实物虚化

2.1.1构建模型

虚拟环境模型是计算机虚拟现实技术开展各项应用活动的重要依托，用户持续采集并向软件中导人有关指定现实环境的全部三维数据，对原始数据进行一系列预处理加工，筛除重复、失真数据，以确保预处理后的数据信息具备完整性、真实性。然后使用三维数据来搭建虚拟环境模型框架，按顺序逐步设定空间尺寸、环境条件、气候、实体结构材质等要素，对照并检查虚拟环境模型和实际环境是否存在明显出入，对不合理部位进行优化调整，生成三维效果图，即可完成模型构建作业。最后，为提高虚拟环境模型的真实程度，可直接在模型中添加现实环境中拍摄的照片、音视频资料，或是在模型中保留一定程度的现实环境物理元素，如结构受力分布、材料材质、气候条件等[1]。

2.1.2空间追踪

应确保使用者在虚拟现实场景中能够有效进行巡视检查、生产加工等活动，以完成绝大多数同样可在现实环境中开展的活动。在计算机虚拟现实技术体系中，必须应用到空间追踪技术，通过VR眼镜、VR手套等硬件设备，持续感知使用者的身体状况，在监测数据的基础上，持续变动使用者在虚拟现实场景中的空间位置，并在使用者移动位置时持续更新场景内容，向其开放全新场景地图。

2.1.3视听追踪

为满足使用者在虚拟现实场景中的感官体验需求，在系统中配备视频摄像机、声传感器等硬件设备，以搭建视听跟踪子系统。同时，系统可以实时定位使用者的三维空间坐标值，向使用者提供相应的视觉影像和音频资料。

2.2虚物实化

2.2.1视觉感知

为确保使用者深度沉浸在虚拟现实场景中，切实感受虚拟现实环境的质感，需要应用到视觉感知技术，持续把使用者目光注视部位的图像传递至人眼，并考虑到人眼视觉差问题而同步生成多幅图像，使用者在观看图像时在大脑反馈作用下忽视虚拟环境、现实环境的细微差异。同时，为进一步改善视觉感知效果，可以搭配应用ATW异步时间扭曲、MultView多视图渲染、ASW异步空间扭曲、畸变补偿渲染等全新技术手段，以补全虚拟现实渲染技术短板[2]。

2.2.2听觉感知

听觉是虚拟现实场景的核心元素，根据场景类型来提供相应的声音渲染，起到烘托氛围的作用。在早期计算机虚拟现实技术应用期间，普遍采取ITD同有时间尺度分解技术，把信号分解为若干固有旋转分量及趋势余量，从中提取所需高频分量、计算分量瞬时相位与频率，定位初始到达时间后向使用者传达声音，此技术不具备单耳定位条件。随着时间的推移，计算机虚拟现实技术日趋完善，当前主要采取HRTF音效定位技术或Inside-out内向外追踪定位技术。其中，HRTF技术根据时间差、声压差和滤波效应特性来建立传递函数，实时锁定声源位置，准确计算左声道、右声道最佳输出效果，向使用者提供真实度更高的立体声效，具备单耳定位功能。另外，Inside-out技术把视觉相机、事件相机、IMU惯性器件等作为传感装置，无需配备额外定位装置，利用光学追踪原理来掌握虚拟现实环境变化情况，把实时监测数据导人SLAM算法中，以求解摄像头空间位置。VR设备所配备传感器数量越多，听觉感知效果越好。

2.2.3触觉感知

使用者在虚拟现实场景中开展各项行动时，VR设备向使用者反馈相应的触觉感知。例如，在驾驶车辆时感知到方向盘转动阻力与身体晃动，在荒漠与滩涂等复杂地形中行走时感觉到吃力，触碰到各类物体时感受表面机理触感。目前来看，常用的触觉感知技术包括力反馈触觉操纵杆、VR Touch触觉反馈、ThermoReal热触觉、HaptX Gloves触觉手套4项技术。（1）力反馈触觉操纵杆技术以折纸结构作为操纵杆构造形式，使用者既可以360°旋转操纵杆来完成复杂操作行为，也可以通过触摸操纵杆来感知虚拟环境中的物体软硬程度。（2） VR Touch触觉反馈技术是在VR设备上配备大面积的塑料材质触觉装置，具备开展抓取、操控、触摸等多种操作的条件，并向使用者提供触觉感知。（3） ThermoReal热触觉技术在常规触觉感知功能基础上，额外提供冷热感知功能，使用者可以切实体验虚拟现实场景内的环境温度、物体温度。（4）HaptX Gloves触觉手套技术配备微型气动执行器与机械制动器，把大量部件按顺序阵列排布，所提供的触觉感受最为真实[3]。

2.3网络传输

在计算机虚拟现实技术体系中，网络传输技术负责实时搜集使用者姿态信息、把监测数据反馈至VR设备执行相应动作，打通VR设备与系统主机间的通信壁垒。根据实际应用情况来看，在VR系统运行期间需要持续传输海量的数據信息，而传统有线传输系统存在线路复杂、有效传输量小的局限性，无法满足实际使用需要，因此，需要应用5G移动通信、交错帧传输等新型技术。（1）5G移动通信技术具备高速率、大连接、低时延的特点，正常情况下的峰值速率为10～20Gbit/s、空中接口时延不超过1ms、连续广域覆盖下的体验速率超过100Mbit/s，能够满足VR系统网络传输需要。（2）交错帧传输技术强调把画面传输帧分为紧急更新画面帧、重复使用画面帧等多个类别，在VR系统运行期间，优先利用通信资源来传输紧急更新画面帧，利用空闲通信资源来传输剩余画面帧，实际传输数据量还不到早期网络传输系统的1/2[4]。

3计算机虚拟现实技术的主要应用场景

3.1产品设计

在传统产品设计模式下，由甲方提前提出对产品造型、使用功能、性能质量等方面的要求，再由设计人员制定初步设计方案、绘制产品草图，把方案草图提交给甲方进行审查，审查通过后，再把产品投入正式生产，在生产期间判断是否存在设计不合理等问题并加以改进。这一产品设计模式具有流程烦琐、周期时间长、成本高昂的局限性，时常因甲方提出要求过于笼统、设计方案可行性缺乏有效验证手段而出现设计变更、产品返工等问题。

因此，需要在产品设计场景中应用计算机虚拟现实技术，并将其具体用于设计成果展示、功能验证、生产模拟等环节。（1）在设计成果展示环节，设计人员根据甲方所提要求，直接在VR系统中确定初步设计方案，通过三维模型或是虚拟现实场景内实物形式，向甲方立体化呈现设计成果，帮助甲方更为准确地判断设计成果是否满足自身预期要求，后续提出具体改进建议，从而避免要求笼统、频繁变更。（2）在功能验证环节，搭建产品使用的虚拟现实环境，在虚拟环境中开展多项功能性试验，观察产品在假定条件下的功能发挥、总体运行工况是否达标，以帮助设计人员找出不合理问题、确定深化设计方向。（3）在生产模拟环节，在虚拟现实场景中营造车间生产环境，按照设计方案内容来组织开展生产活动，持续观察产品质量、生产效率和物料资源耗用量，若生产成本超标、生产效率偏低，则对设计方案与生产方案加以改进。

3.2VR教学

在传统教学模式中，学生的知识获取来源较为单一，主要通过线下课堂进行学习，教学场景受到时间、地点的双重限制。随着信息化时代的到来，多媒体教学模式得到推广实施，教师通过制作PPT课件、微课视频等方式来开展教学活动，教学效率、质量得到一定提升，但实际提升幅度远未达到预期要求。因此，各所高等院校需要有效结合计算机虚拟现实技术和传统教学模式，在其基础上构建VR教学体系，为学生营造与现实环境基本一致的虚拟现实教学场景，用于开展各项专业教学工作。这既可以显著提高教学质量，避免因错误操作行为而出现安全事故，又可以把教学成本控制在合理范围内。例如，北京航空航天大学利用VR教学系统开展分布式飞行模拟练习教学活动，浙江大学建筑专业利用VR教学系统开展建筑虚拟规划设计教学活动。

3.3医疗服务

在我国医疗行业发展期间，计算机虚拟现实技术在医疗手术、患者康复治疗、特殊病症治疗等场景中得到广泛应用，彻底改变了医疗服务及医疗诊疗模式，并推动我国医疗行业迈人全新发展阶段。首先，在医疗手术环节，提前在VR系统内营造虚拟手术环境，按照既定手术计划开展模拟试验，判断术中情况、术后患者恢复效果是否理想。同时，还可以对患者内部器官进行三维扫描，从而更为全面地掌握患者身体状况、科学制定手术计划。例如，美国迈阿密尼克劳斯儿童医院提出Google Cardboard耳机计划，通过VR耳机来观察婴儿患者的身体情况，发现Teegan Lexcen婴儿仅有一个肺与半个心脏，根据3D图像来制定手术方案，术后一个月，该名婴儿的身体状况得到明显改善[5]。其次，在患者康复治疗环节，部分患者在术后短时间内行动不便，如果长期卧床不起会延长恢复周期、影响身体恢复效果。在VR技术应用中，患者佩戴触觉手套等设备进行适量康复训练，由医生根据患者情况在系统中设定训练量和训练强度，以避免过度训练而造成身体二次伤害。最后，在特殊病症治疗环节，医生根据患者病症来营造专属的虚拟现实场景，帮助患者在受控、安全环境中直面自身症状。以恐惧症为例，患者在虚拟现实场景中进行高处、飞行、公开演讲等主题的脱敏性训练。

3.4设备运行监测

在设备运行监测场景中，VR技术可用于设备在线监测、故障预测，帮助管理人员实时掌握设备运行工况，无需频繁前往生产现场，这对提高设备管理效率、减轻工作负担有着重要意义。首先，在设备在线监测环节，在VR系统中接人现场安装的温度传感器、压力传感器、摄像头等终端设备，持续收集、处理現场监测信号与更新虚拟现实场景，通过固定／移动3D模型的方式来展现设备运行情况，动态呈现位置、姿态、运行负载等要素的变化过程。同时，设立运行参数额定值和允许偏差范围，若设备运行状况异常，则由VR系统向管理人员发送报警信号。其次，在设备故障预测环节，VR系统具备强大的逻辑分析能力，通过设备的实时运行数据、历史运行数据和同类故障案例，推演设备在未来一段日寸间的运行工况，若预测到可能会出现的故障问题，则提前修改设备运行方案、开展维护保养工作，把故障隐患消弭于无形。

3.5工程管理

在工程管理场景中对VR技术的应用，既可以向全体工程人员更为准确地传达管理计划，以避免因理解错误而影响到管理计划执行效果，又可以向管理人员准确、直观且全面地反映工程管理情况，进而发现管理问题与采取改进措施。例如，在施工安全管理方面，结合VR技术与安全培训工作，在VR系统内搭建工程现场虚拟现实场景，工程人员在场景内沉浸式学习各项安全技能，参与火灾逃生和人员触电等工程事故的救援疏散活动，以避免在施工期间面对各类工程事故时手足无措、产生不必要的人员伤亡。而在技术管理方面，把施工技术方案导人VR系统内并开展仿真模拟试验，以判断试验结果是否达到工程建设目标，必要时更换工艺技术种类、调整技术标准。

4结束语

在新时代背景下，计算机虚拟现实技术在诸多行业领域内得到大规模应用推广，具备广阔的应用前景。工作人员都应提高对计算机虚拟现实技术的重视程度，深入了解其技术组成部分和关键技术手段，结合实际需求来拓展技术应用场景，将计算机虚拟现实技术在产品设计研发、VR教学、医疗服务、设备运行监测、工程管理等场景中做到落地应用，使计算机虚拟现实技术的作用得到完全发挥。