计算机技术在虚拟现实技术中的应用

亓彩艳

随着虚拟现实技术广泛应用于教育、娱乐、医疗、军事等领域，其带来巨大收益的同时也引发了许多问题，引起了广大哲学家、伦理学家及相关从业人员、公众的高度关注。利用虚拟现实技术能够创设出真实场景，在虚拟现实技术中计算机技术是一个核心重点。

一、关于虚拟现实技术的简介

1.虚拟现实技术的概念

顾名思义虚拟现实就是虚假的展示，采用计算机技术来模拟真实世界，可以将用户带入到虚拟体验中，使之沉浸在三维世界中。在虚拟现实领域包括AR、VR、MR几个名词，AR技术是利用计算机接入传感器接口结合定位相机、人工智能技术渲染3D模型；VR则是利用计算机建模和渲染软件来创设虚拟世界，选定一个位置放置相机，以此来替代人的眼睛，用户在佩戴头戴式设备之后即可进入相关场景；MR则能够解锁自然与直观的3D人类，实现计算机与环境之间的交互。虚拟现实技术涉及诸多领域，属于多领域集成，为了让用户产生更为流畅、饱满的体验，需要多学科之间的协同。首先是数理科学，包括信息通信技术、信息技术、远程控制操作、机器人技术等，还需要提供数学模型的工学、力学和光学；其次是自然科学和人文科学。虚拟现实技术将自然科学、人文科学、工程科学之间深度衔接起来，发挥出了学科之间的交叉优势，但是学科的交叉也带来一些问题，比如，其发展需要各个学科的齐头并进，虚拟现实技术并不是单一是计算机科学的分支，其涉及的内容更加复杂。

2.虚拟现实技术的特征

一是交互性。利用虚拟现实技术能够设置一种虚拟环境，在向计算机系统输入指令之后即可完成相应的配置，虚拟设备的运动传感器可以根据使用者的行为来传输数据，实现对虚拟场景的控制；二是共享性。利用虚拟现实技术，能够让用户在虚拟环境中从多角度来看待现实世界，这是虚拟现实技术的一个关键，涉及运维、安全、管理等多个层面；三是沉浸性。用户在通过佩戴虚拟现实设备之后，能够建立一个新的信息交流渠道，将用户的听觉、视觉转移至虚拟场景中，切断与外界的联系，带来沉浸感的体验。

3.虚拟现实技术的应用领域

虚拟现实技术的用途较多，目前应用较广的几个领域包括：

一是学习与训练领域。虚拟现实技术被广泛的使用在学习和训练中，能够提供一种新型的模拟器创设出真实的情境；二是治疗和康复。在治疗领域虚拟现实技术也得到了广泛使用，其中最具代表性的就是暴露疗法，比如，利用虚拟现实技术能够治疗幽闭恐惧症、拉斐尔恐惧症等。在该种疗法中，将患者置于虚拟世界，通过呈现不同程度的场景，将患者暴露在焦虑刺激中，以减少其焦虑情绪。相较于传统的治疗方法，虚拟现实技术具有明显优势，医生可以自行控制刺激程度，更有助于临床治疗；三是计算科学可视化。利用虚拟现实技术能够拓展认知能力，目前国外发达国家已经尝试将其应用在行为科学领域中，尤其是在结构和大脑活动方面已经实现了可视化；四是AR游戏。VR游戏是虚拟现实技术在游戏领域中的典型应用，是游戏从2D发展至3D的最新成果，这种技术能够为使用者提供听、触等感官的模拟，使用者可以身临其境进行自由互动，虚拟现实技术的成熟将会影响游戏领域，单一依靠键盘、手柄、鼠标来操作的游戏将会不复存在，三维的立体化游戏将会成为发展主流；五是虚拟现实社交。虚拟现实社交就是利用虚拟现实技术打造虚拟空间，用户通过虚拟现实设备在进入社交空间之后，能够与陌生人进行互动和交流，虚拟社交超越了目前的微信、微博、QQ等社交方式，不再是单一的文字、图片、语音和视频交流，能够为用户带来情景化的社交场景，使用户可以感受到对方的情绪变化和举止变化，虚拟社交将会是社交的发展未来。

二、计算机技术在虚拟现实技术中的应用

从本质来看虚拟现实技术是计算机技术的一个分支和组成，利用虚拟现实技术可以打造出一个虚构的世界，通过对各种真实事物的模仿能减少技术投入或者企业研发的风险，计算机技术也是虚拟现实技术的核心所在，是助推虚拟现实技术迅速发展的关键。在信息技术的发展下虚拟现实技术的优势被体现出来，已经成为目前研发的热点，信息化技术被广泛应用在高科技前沿，而计算机技术的应用也让虚拟现实技术与其他学科之间的联系变得更加紧密，关于计算机技术在虚拟现实技术中的应用主要有：

1.球面纹理映射

在计算机图形学的发展中纹理映射研究一直都是一项难点，这一技术是实现图形学中图像真实感表达的关键要求，通过计算机的像素点来表达真实、完整的场景，在三维游戏、虚拟现实中都表现出了重要作用。为了描述物体表面的纹理细节，需要先将三维物体进行二维参数化，在于参数化结果、稳定平面之间建立一种映射关系，在实际场景中，对于三维物体的参数化处理难度非常高，因为大部分物体都是非参数化画面拼接而成。因此，需要使用基于中介曲面的两步纹理映射方法，这种方法的理论是先将二维纹理平面根据三维物体形状投射置中介物体表面，这一步是S型映射，再根据目标物体几何形状来映射到目标物体上。根据映射范围的差异，包括整球面纹理映射、半球面纹理映射两种类型。为了确保真实度，需要基于映射适应卷积理论，借助计算机技术来解决混叠问题，对各个层面做出标准格栅化处理，对格栅处理后的节点进行映射，再找到节点混叠后的具体位置。在实际操作中，计算人员需要先确定球面形变高斯核范围，设置好正方形区域，在以栅格化节点的逆映射作为中心，构建标准格栅，最后在原始图像中借助映射适应性卷积来插值得出映射适应卷积结果。根据卷积结果，选择对应的插值方法进行重采样，以解决球面纹理的混叠问题。通过这种方式，可以提升球面三维模型纹理的真实感，目前，这一技术已经在广告设计、动画制作等领域得到了使用。

2.三维人脸重建算法

三维人脸重建算法主要应用在游戏领域中，在实际研发工作中如果沿用传统的方式来绘制三维人脸模型研发速度会大受影响，而三维人脸重建算法可以有效解决这种问题，快速匹配人脸三维模型。当前这一技术有混合形变、基于体积回归两种类型，前者是使用人工采集数据的方式来制作数据，得出最优权值组合，后者則主要是借助三维人脸数据库，如果数据库丰富那么会得出较好的设计效果，但是该种方法耗费的时间较多也更加复杂。还有一种就是体积回归方法，需要技术人员根据三维空间组成三维网络，建立三维网格映射，对其中的体素进行渲染，该种方式可以提升模型的精细度，但是神经网络训练成本较高。

关于三维人脸重建算法其中会涉及几个重点内容：一是人脸对齐。在拍摄照片时，会受到角度、技术等因素的影响，这是无法避免的。为了保障人脸特征与匹配的模型相符，需通过旋转方式将模型进行转动，与人脸模型进行对比，确定特征点位置，在实际操作中需要采用投影变换的方式分析出人脸的旋近角、自转角和章动角，根据人脸空间坐标等建立方程，确保数据不受到误差影响。

二是混合形变参数回归。由于人脸面颊较为光滑，在进行操作时还需要额外使用到组合形变模型，先使用参数回归方式获取到人脸骨骼形变模型再做出蒙皮更新，调整人物脸部模型与五官比例，搜索形变参数权值，优化人脸轮廓位置。

三是纹理生成。在三维重建完毕后，为了确保人脸形象的匹配度需要根据实际情况来使用纹理生成技术，目前最为常用的就是正交投影人脸纹理生成技术，可以准确得出三维人脸模型。

3.虚拟现实声场渲染

为了优化用户的感受还需要促进视觉、听觉、触觉的深度结合，应用虚拟现实声场渲染即可有效改变用户的体验，提升体验沉浸感。当前，虚拟现实声场渲染技术的应用还存在诸多问题，时间复杂度较大，听觉效果不佳等，对此可以使用声源增强模型，该种模型是建立在视听双模定位的基础上。在佩戴了虚拟现实设备之后用户对于声音强度的判断主要是通过声音源与自身的位置距离来判断，如果使用双模定位就能够减少视觉刺激的依赖性，提升沉浸感。

三、虚拟现实技术发展的技术瓶颈与趋势

尽管在计算机技术的推动下虚拟现实技术得到了显著进步，但是与人的理想之间还存在一定的差距，还有一些技术瓶颈问题尚未解决，主要表现为：

一是VR显示技术。目前VR显示的分辨率还有待优化，VR显示器还存在显著的“纱窗效应”，影响了用户的视觉体验，并且运算机能不足，VR渲染对于硬件设备具有较高的要求，而分辨率越高计算机需要处理的像素点数量也会越多，并且会呈现出几何倍增长趋势，特别是视频游戏，其要求更高，要求显示器需要达到9HZ兹以上的刷新率才不会让用户产生眩晕，最为理想的状态是达到144HZ以上。从现有的硬件条件来看，为了确保帧数的稳定性不得不降低画质的要求，但会导致呈现出的画面不太理想，因此硬件机能是影响虚拟现实技术发展的一个关键瓶颈。

二是VR交互技术。目前虚拟现实控制器的主要设备有手柄和专用外设，尽管体验较好但是在使用设备时依然会存在违和感。另外，现有的交互技术反馈不足，人的感官体验有视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉，VR显示器满足了受众的视觉反馈要求，声学系统则解决了听觉反馈的要求，但是触觉、味觉、嗅觉方面的问题还未能解决，当前对于触觉的解决还是停留在双手反馈上，大多数设备只能进行简单的震动，其他的几类刺激研究还处于实验研究阶段。

三是VR场景技术。当前追踪定位还不完善，VR的追踪定位方案有被动式和主动式两类，被动式就是利用外部独立设备来进行追踪，目前主动式方案还没有发展成熟，需要在外部空间中设置标准点，因此现有的场景多是被动式方案，存在硬件成本高、追踪角度不完美等问题。另外，运动场景也不太成熟，受制于无线技术、追踪定位技术的影响，大多数VR还是停留在小范围的层面，以VR游戏为例，目前解决的仅仅是座舱驾驶类游戏类型，而关于人体运动题材，由于需要丰富的动作反馈和活动空间，尚未研发成熟。除此之外有线连接也不太便利，这无疑在物理层面上限制了虚拟现实技术的应用，为了为用户提供较强的沉浸感，需要摆脱线缆束缚，但是当前的通讯技术还无法满足这一要求。

尽管目前的技术层面存在限制，但是虚拟现实技术依然有着较好的发展前景，可以预见的是，虚拟现实产品将会成为下一阶段的发展主流，虚拟现实市场也得到了业界认可，一些核心器件厂商正式加入到研发活动中，而计算机技术、电子元器件一直都是影响虚拟现实技术发展的两个技术问题。目前越来越多研发巨头的进入能夠从技术层面取得突破，从现有的新闻案例可以看出，虚拟现实的市场潜力已经得到了整个行业的认可，虚拟现实技术将会在未来几年内得到一次重大的技术突破，将虚拟现实技术提升至新的发展层次。另外，虚拟现实技术是一项复杂的、涵盖多领域的技术，目前已广泛应用于人类的生产、生活领域，影响十分广泛。随着技术的不断发展和推广，与之相关的伦理问题也曾出不穷，如本文所阐述的虚拟世界在人物、内容、行为等方面的设计中存在的伦理问题，虚拟化身所造成的责任归属问题，虚拟化身对主人格的影响，虚拟世界中产生的心理伤害、思维操纵、隐私侵害问题，这也是下一阶段需重点解决的问题。

在虚拟现实技术的推广过程中，需要融合各类信息对现实环境的实体进行仿真，其中计算机技术就是其发展的前提条件，虚拟现实和计算机技术之间密不可分。为了助推虚拟现实技术的发展需要根据这项技术现有的发展问题，充分借助计算机技术进行创新，解决目前设备、软件等各方面的问题，助推虚拟现实技术的稳定和健康发展。

（作者单位：临沂职业学院）