虚拟现实技术及其水利应用研究

朱玉坤 沈林 李长松 马晓兵

摘 要：本文对虚拟现实技术的定义、特点、原理及应用进行简要介绍，并对关键技术进行描述，提出虚拟现实技术与GIS技术相结合展示防汛抗旱、水利工程信息的方案建议，以期为相关学者的研究提供参考。

关键词：虚拟现实；建模；GIS；防汛

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）08-0076-02

Research on Virtual Reality Technology and Its

Application in Water Conservancy

ZHU Yukun SHEN Lin LI Changsong MA Xiaobing

（Information Center of the Yellow River Water Conservancy Commission，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： In this paper， the definition， characteristics， principles and applications of virtual reality technology were briefly introduced， and the key technologies are described. A combination of virtual reality technology and GIS technology is proposed to demonstrate flood control， drought relief and water conservancy information. It is hoped that the research in this paper can provide a reference for the research of relevant scholars.

Keywords： virtual reality；modeling；GIS；flood control

1 虚拟现实技术

1.1 虚拟现实技术的内涵

虚拟现实也叫虚拟实境（Virtual Reality），简称VR，也称为灵境技术或人工环境，即使用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，为用户提供视觉、听觉和触觉等感官上的模拟，让用户如同身临其境，不受限制地观察三度空间内的事物。同时，在用户进行移动时，电脑可以进行复杂计算，将精确的三维世界视频传回VR设备，使用户产生临场感。该技术集成了计算机图形、计算机仿真、人工智能、传感、显示及网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统[1]。

1.2 虚拟现实技术的特点

①虚拟现实具有沉浸性。计算机产生的三维场景可以使用户如同身临其境，就像在客观世界中一样，通过视觉、听觉和触觉体验场景中的模型。

②虚拟现实具有交互性。在虚拟场景中，用户可以通过VR头盔、手套等传感器进行交互，就像在客观世界中操作一样去触摸、撞击等。

③虚拟现实具有想象性。想象性是指使用者可以在虚拟场景中产生创造性思维。在虚拟场景中，用户很容易提高对事物的认知，获得新想法、新知识。

1.3 虚拟现实技术的原理

虚拟现实系统一般由计算机系统、空间数据采集系统、人体数据捕捉系统及输入和输出设备组成。虚拟场景的真实性是提高虚拟现实效果的关键，这就要求尽可能详细地建模。目前，一般采用多边形（三角形）网格表示、结构立体几何表示、体数据表示及细节层次和纹理映射等方法进行建模。建模之前要准备实际图像、照片等数据，并对其进行处理。

1.4 虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术可以走群众路线，深化在商业、教育、娱乐和虚拟社区中的应用。企业将其产品发布成网上三维的形式，多维度展示商品；教育业引入计算机辅助教学（CAI），在讲解立体化的知识时，如原子、分子的结构、分子的结合过程、机械的运动，三维的展现形式使学生更容易接受和掌握。此外，VR在医学方面可以建立虚拟的人体模型，让学生利用跟踪球、HMD和感觉手套等设备了解人体内部各器官结构；可在虚拟实验室中进行“尸体”解剖和各种手术联系。同时，虚拟现实还可以应用在更广泛的领域，如室内设计，消防、电力、石油、矿产等方面的应急推演，文物古迹模拟展示，以及船舶制作、地理监测、轨道交通、桥梁建筑等方面。虚拟现实技术将在各行各业发挥巨大的作用。

2 虚拟现实基础硬件及关键技术

2.1 基础硬件

当前，VR设备大致可以分為两类：一是需要借助外部硬件协助运算的，如Oculus Rift和HTC Vive，其需要连接一台高性能电脑来运行；二是依赖设备内置硬件完成运算的，如PicoNeo VR一体机、大朋VR一体机，这些VR眼镜的特点是无需其他设备协助，能完全独立工作。

2.2 关键技术

2.2.1 头部跟踪技术。头部跟踪即头戴VR设备时，眼前的景象会随着上下左右转动头部而改变。通过6DSF（Six Degrees of Freedom）使头部移动转化成x，y，z三个维度，以精确测量头部的前后左右移动的动作。

头部跟踪系统内有一系列不同的内部组件，包括陀螺仪、加速计和磁力计等。Sony的PSVR还在头盔上用到了9颗LED灯，加上PS4上的摄像头监视，可提供360°头部跟踪。Oculus虽然有20颗灯，但不如Sony的更有标识度。

实现头部跟踪技术的关键是要降低延迟。将延迟降低到50ms以下更有利于在移动时降低画面的异步性。Oculus Rift可以将延迟降低到30ms。

2.2.2 动作跟踪技术。谷歌推出的Cardboard是将智能手机变成一个虚拟现实的原型设备，但相对于Cardboard，头部跟踪依然是VR头盔最大的优势。但是，VR领域的动作跟踪功能也不容忽视。因为用户在使用VR头盔的同时也希望看到自己的身体动作。

体感控制器制造公司Leap的产品Leap Motion，中文名为“厉动”，使用红外线传感器来跟踪用户的手部动作，可追踪10根手指，精度高达1/100mm。其远比现有的运动控制技术更为精确，只要挥动一根手指即可浏览网页、阅读文章、翻看照片和播放音乐，只需使用指尖便可进行绘画、涂鸦和设计。但目前，常用的是来自Oculus、Valve和Sony的輸入设备。

Oculus Touch采用了类似手环的设计，允许摄像机对用户的手部进行追踪，传感器也可以追踪手指运动，同时为用户带来便利的抓握方式。比如，在射击游戏中可以通过扣下扳机来射击。在控制器上，还有一系列的传感器阵列来识别点击、挥手等动作。原理类似于Valve的Lighthouse定位跟踪系统及HTC Vive的控制器原型：在房间里配置两个基站，并将整个房间布满激光，通过头部和手上光电管传感器相互碰撞的时间点来检测头部和手的位置。与Oculus Touch类似，Lighthouse也具备物理按钮，在同一空间内用两套Lighthouse系统还可以进行多用户跟踪。

其他输入方式还包括从Xbox控制器上借鉴过来的控制器或者和计算机相连的控制杆、语音控制、智能手套及Virtuix Omni全向跑步机。

2.2.3 眼部跟踪技术。眼球跟踪技术是通过跟踪瞳孔的运动来实现的，算法能根据用户注视的景物来变换景深，从而带来更出色的沉浸体验。当用户注视近景时，远景就会变得模糊，当注视远景时，近景就会变得模糊，这就是景深不同的体验。眼球跟踪技术可以辨别用户注视的焦点场景，从而模拟景深的变化，提高用户体验。

3 虚拟现实技术在水利工程中的应用

3.1 防汛应用方案研究

基于GIS的虚拟现实技术有着非常广阔的应用前景。CityEngine是将三维场景和其他3DGIS内容引入虚拟现实（VR）的工具，其可以通过手机和电脑两种平台创造VR体验。应用CityEngine软件将地形数据、正射影像和水情、雨情、工情等二维数据快速创建三维场景，通过Unity来支持HTC Vive等VR设备，经过GIS与VR的交互可逼真地展现河流两岸的地貌和工程，用户可通过VR头盔、眼镜等设备进行虚拟场景交互和导航。

为了提高性能，可以在Unity中启用Single-Pass立体渲染。此外，CityEngine基于规则的性质可以为几何形状创建不同的细节级别，如将较少的细节添加到远处的建筑物中。由于Unity的多平台特性，很容易在多个平台上部署VR体验。例如，其与HTC Vive和Oculus Rift兼容，还可以为Windows全息照相机添加Microsoft Hololens支持。

3.2 防汛系统开发研究

基于CityEngine的防汛系统可通过后台数据库的数据展示防汛抗旱中的工情、水情、雨情信息，便于对各项工程进行查询，周边再辅以多种媒体信息，如工程背景介绍、标段概况、技术数据和截面等，从而实现演示场景中的导航、定位与背景信息介绍等诸多实用、便捷的功能，满足数字河流由二维GIS向三维虚拟现实的可视化发展的需要。

系统可采用B/S架构，共分为三个层次。底层为数据层，包括空间数据（如二维底图、三维模型等）及其对应的属性数据，业务数据（如提防、险工、控导等工程）；中间层即应用层，包括GIS服务器（CityEngine服务器）及Web服务器的服务；客户端即表现层，提供三维服务的在线显示等。

参考文献：

[1]章丽鸿，李琳.虚拟现实技术的发展和展望[J].中国科技期刊数据库，2015（39）：239.