浅谈虚拟现实的实现及应用

2018-07-04北京理工大学珠海学院计算机学院黄鸿宇

电子世界 2018年12期

北京理工大学珠海学院计算机学院黄鸿宇

北京理工大学珠海学院吴方

北京理工大学珠海学院计算机学院欧芷珊李韬刘卓豪

0.引言

虚拟现实技术，简称VR技术。是近年来发展非常迅速的一项计算机技术，它综合了计算机图形学，传感器技术，多媒体技术，人机接口技术，立体显示技术及仿真技术等，凭借着其逼真的人机交互模式闯进了我们的生活。教育，工业，娱乐，医疗等领域也在慢慢引入并运用。随着信息技术的发展，硬件产品性能逐渐提高且价格逐渐变低，虚拟现实技术越来越成熟，运用范围也愈来愈广，一个全新的时代在向我们走来。

从现实世界到虚拟现实系统再到用户，如下图1所示，虚拟现实技术便是这样实现的。

图1

1.虚拟现实的实现

1.1 如何实现精确定位

虚拟现实是怎么去实现的呢？我们就又不得不去思考它是怎么做到精确定位了,这便涉及到了VR眼镜的空间定位技术了。VR眼镜的空间定位技术主要有激光定位，红外线定位，可见光定位等，被人们津津乐道的HTC vive 的Lighthouse 技术则是采用激光定位技术确定物体位置的，激光发射塔每秒发射6次激光，其内置的扫描模块对手柄和头盔上的光敏传感器进行扫描来确定其准确位置。同时，眼动仪也是一种重要的人体跟踪设备，主要借助眼球运动的追踪从而实现定位功能。

1.2 如何实现运动捕捉及实时传送

这就涉及到动作捕捉技术。动作捕捉技术是否跟我们现实中的GPS定位是一样的原理呢？我们都知道GPS定位技术使用的是卫星定位在全球范围内实现定位、导航功能。那么，我们把身上的每个关节都追踪定位是不是就可以实现运动捕捉呢？是的，GPS技术和动作捕捉技术的确有许多相似之处。

动作捕捉技术使用传感器进行定位，通过加速度计，陀螺仪，磁力计等惯性测量传感器节点，将所获取的运动物体的位置、速度等信息通过蓝牙，WiFi等无线模块传送到计算机，从而实现跟踪定位功能；信号捕捉装备进行信号的捕捉和获取，在机械捕捉系统中，动作捕捉是通过光学线路板收集电信号来完成，而在现广泛采用的光学动作捕捉系统中，则使用高分辨率的红外摄影机进行信号的捕捉和获取；数据传输和处理设备则负责将所获取的数据实时地传入计算机进行实时分析及处理，借助数据处理软件和硬件将运动信号以自然语言展现出来，从而将修正和加工后的数据传输到三维模型实现动作呈现。

1.3 如何让用户身临其境

用户身着VR设备，即使没有真正地来到娱乐场，也能体验到玩过山车时的刺激感，甚至有可能在虚拟的环境中随之心速加快，尖叫，像是真的体验过。即使没有真正地去到世界各地，也能“身临其境”般看到各国风景，实现环球旅行的梦想。这一切在以前看来似乎匪夷所思，而VR时代的到来，却让这一切变得不再陌生，那么，虚拟现实技术是如何让用户身临其境的呢？

首先，便是在视觉感知方面。用户受视域，视角，视场角，亮度和对比度5个方面的影响，在现实世界中，又由于人类的眼睛位置不一样，左右眼所看事物有所不同，即所谓的视差，导致人们所看到的世界是立体的，那么，怎么通过VR虚拟现实技术向用户传递不同的图像信息从而让用户身临其境呢？

这就便要谈到我们的立体显示技术了。立体显示技术就是要解决人类视差引起左、右两眼所看事物不一致的问题，负责将计算机图形学和计算机视觉方法呈现出的平面虚拟现实图像转化为三维全景图像。立体成像技术主要有两类——裸眼立体成像和基于眼镜立体成像。目前我们所接触到的虚拟现实系统中，主要通过眼镜获得立体视觉展示，即我们所熟知的VR头戴显示设备，其中基于立体成像技术主要包括被动式中的色差式立体眼镜成像技术、偏振光立体成像技术，主动式中的主动快门式立体成像技术及现广泛运用于虚拟现实头戴式显示器的左右分屏主体成像技术。而在我们利用Unity开发三维游戏，三维动画时也常利用这种较为简单的左右分屏立体式成像技术——为左右眼制作两个独立的画面，然后在左右眼配置的两组小型显示器来单独显示左右眼画面，达到立体效果。

其次，便是声音感知了。人类的听觉器官对音色，频率范围，声音强度以及定位四种感知参数较为敏感，为了提高用户体验，虚拟现实系统也充分利用以上参数生成具有立体感的三维效果。

为了形成全景声音和沉浸式音频效果，虚拟现实技术由声音采集和声音回放技术实现。声音采集包括双耳录音和数字化模拟的3D音频技术，双耳录音利用头相关传输函数原理来模拟人耳听到声音的整个过程来收集声音，而数字化模拟的3D音频技术则是基于数字化技术模拟HRTF（Head Related Transfer Function），通过多个方向的麦克风采集声音信息，对声场进行还原从而收集声音。声音回放技术包括双耳回放和多通道回放技术，前者是通过耳机回放出来，后者则是通过声场重建技术将声音进行回放。

最后，便是除视觉和听觉之外最重要的触觉和力觉了。触觉和力觉能让人们感受到温度、压力等感觉，为了使用户拥有身临其境的触感，虚拟现实中的交互设备也在这方面进行了研究，是虚拟现实技术的一个难点。

触觉反馈技术分为桌面型触觉反馈技术和可穿戴式触觉反馈技术，而由于桌面型穿戴技术无法移动且占据一定空间，可穿戴式触觉反馈逐渐成为虚拟现实触觉反馈的主流。

2.对虚拟现实的应用

虚拟现实技术的出现引发了一场科技革命，我们因为这一新型技术的到来欣喜不已，因为无论是已发生的事物还是仍未实现的未来，我们都能通过这一技术实现。现如今，虚拟现实技术也逐渐渗入我们生活中的方方面面。

（1）工业设计的应用。在工业设计方面的应用则主要是对产品的虚拟设计。当设计师们有了产品的设计图稿时，如果直接运用于实物生产，有时候或许仍需要修改，测试，导致了一个产品有无数样品，从而导致资源浪费。然而，虚拟设计的出现大大改善了此类问题。设计师们可以对虚拟产品进行无数次的改进，测试之后再生产产品，这样不仅提高了生产效率同时也节约了资源。同样地，对产品的虚拟维修也为企业的发展提供了一个很好的平台。

（2）虚拟教育的应用。虚拟现实技术运用到教育上面也逐渐在实现，当学生们在学习《我爱北京天安门》时也能通过虚拟技术足不出户地体验到天安门前五星红旗迎风飘扬的场景，从而体会油然而生的民族自豪感。同样地，在化学的学习上，对于我们无法用于做实验的硫酸等强腐蚀性化学材料，我们也能通过虚拟实验室去体验它的特性。虚拟现实技术让教育变得更加有趣，让学生们不仅仅局限于老师于课堂上所讲的理论知识学习，同时也让学生们切身去体会学习的乐趣，从而提高了教学质量。

（3）娱乐领域的应用。我们所熟知的VR游戏是虚拟现实技术应用的一个重要领域。相比单机或联机的二维游戏，VR游戏无疑为游戏爱好者提供了一种更为“新鲜”的玩法。在射击类VR游戏中，我们能够通过自己身体的躲闪真正地躲避“敌人”的攻击，也能通过瞄准，扣动手柄等方式对“敌人”进行射击。它有着更强的人机交互模式，同时也让游戏用户有了更强的沉浸感，大大提高了游戏体验。

（4）军事领域的应用。战争越来越趋向于高科技作战，虚拟现实技术也愈来愈频繁地运用于军事领域。虚拟现实技术通过模仿现实作战环境——沙漠到丛林，建筑，士兵等，同时以它给人视觉，听觉上的沉浸感来达到训练，研究，演习等效果。而在不断地使用多兵种，多环境，多战术演练之后，在真正上了战场之后便不会再陌生作战环境。

（5）虚拟医疗的应用。虚拟医疗听起来或许不可思议，而它却是虚拟现实技术一个较为典型的运用。无论是虚拟手术，虚拟人体，虚拟治疗，虚拟实验，虚拟现实技术都为医疗领域做了很大贡献。在较为棘手的手术前，可先通过虚拟技术对手术进行仿真训练后再对实际手术做出相应的策略从而提高手术成功率。

虚拟现实技术在农业，测绘，地产，旅游，虚拟博物馆等领域也发挥着极其重要的作用。虚拟技术慢慢地渗入我们生活的方方面面，为我们的生活提供了不少便利，也为我们的各项科学研究节省了不少资源。