虚拟现实关键技术研究及应用

曹海乐，于海涛

（中科奇创（天津）科技有限公司，天津 300309）

自从计算机发明以来，计算机一直是传统信息处理环境的主体，它只具有在数字化的单维信息空间中处理问题的能力。而事实上，人类是依靠自己在多维化的信息空间中认识问题。因此，人们需要突破现有单纯信息渠道建立一个多种信息源的信息空间。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真。

综上所述，虚拟现实技术在各个领域的应用是具有可行性。如何在各个领域中实现高效体验是一个需要解决的问题。

1 研究背景

美国是虚拟现实技术的发源地，它的研究水平一直走在国际前列，所研发的技术也被应用到各个领域中。目前军事领域和航空领域是应用最多的领域。在欧洲，英国在 VR 开发的分布并行、辅助设备设计方面也是领先的。

欧洲其他一些发达国家也相继进行 VR 的研究。在研究虚拟现实技术的各个国家中，日本是处于领先的地位，其中对嗅觉领域的开发产生了很大的影响。

与其他一些发达国家相比较，我国的虚拟现实技术研究起步相对晚一些。例如：研究虚拟现实技术的北京航天航空大学，它是最早研究这个技术的。其次“布达拉宫”是由清华大学研究中心所作。

还有哈尔滨工业大学成功模拟出人虚拟合成技术，包括人脸合成、表情和唇部的合成等。除了高等学府对此的研究外，国内一线城市北京、广州、深圳等地区的科技公司都在应用虚拟现实技术制作出了优秀的产品。

2 虚拟现实关键技术

2.1 关键技术分类及其研究路线

虚拟现实是多种技术的综合，其主要研究内容包括以下几个方面，如图1所示。

图1 虚拟现实关键技术研究路线

（1）影像制作技术：虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。

（2）人机交互技术：虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式，多元感知交互技术成为了重要研究内容，通过对人体器官的不同应用，利用体感、红外激光、移动设备等用于监测用户行为动作的设备主观控制虚拟影像的播放与切换，从而达到体验者实时感受虚拟环境，提高了环境的渲染逼真度和系统的灵活性。

（3）多元显投技术：虚拟现实的交互能力依赖与立体显示和传感器技术的发展，通过拼接融合图像完成虚拟影像自动适应物体表面，针对不规则的表面物体，利用位置定位和视线追踪技术捕捉体验者动作信息，从而反馈给系统。

2.2 关键技术研究的问题和解决策略

在虚拟现实技术的虚拟影像制作开发中，由于虚拟环境中的模型、材质、贴图等的复杂性，导致渲染时间长，项目时间的难以把控，同时在人机交互过程中，应用的输入、输出设备的限制性，以及每个体验者的不同体态特征，导致交互设备无法达到每一个体验者的最佳舒适度，以此带来的眩晕感将会是解决的一个难题。在场馆里虚拟现实技术应用的多样性，也会导致系统集成兼容性降低。针对上述系统研究过程中所面临的难点，提出以下三种解决方式。

（1）提出三维环境结构自动高精还原技术，快速完成三维环境构建，提高还原效率。

（2）实时人机交互技术：通过多个感官通道模拟逼真实世界，迅速为用户提供实时的眼、耳、身体所能感受到的感受信息。

（3）开展3D打印和设备自主设计，提高硬件设备的重新开发技术和系统集成技术。

系统并行处理图像数量大于5张；

系统平均处理每帧图像的时间小于1秒；

三维场景还原中，能够得到亚像素级的图像采样点准确度和0.5个条纹宽度的图像采样点密度；

在三维模型自动还原中，物体的材质分辨率大于1024*1024；

在虚拟场景渲染中，系统所采用渲染帧率大于30帧/秒；

在人机交互过程中，为了更广阔的视野和更高的分辨率，最佳的虚拟现实沉浸式视野136°和2560*1440像素的显示器，更能给用户带来满足感。

3 虚拟现实关键技术的应用领域

通过影像制作技术、人机交互技术、多元显投技术和智能管控技术开发研究相关领域的虚拟现实交互产品等。主要分布在新媒体交互式教育类、特色创意文化旅游类、大数据可视化健康服务类。

以上述关键性技术为支撑，研发三大领域的交互性产品，如特种影院的3D电影、儿童科普体验中心的科普教育项目地理沙箱、人体异型投影、脑图谱异型投影、绘画动物园、触控鱼等；全息投影、体感面具、建筑投影、移动增强现实、大型增强现实等。

4 结束语

本文从虚拟现实技术出发，阐明了虚拟现实关键技术的研究系统和关键突破点，有效提高了用户体验满意度。通过三维仿真技术实现环境和物体的还原，利用投影仪或显示器等方式实现人机交互功能，并依据系统集成平台将各种体验设备相连接，实现一体化设备管理。该研究成果已经应用到了实际项目研究中，充分验证了其正确性，具有一定的研究和实用价值。