虚拟现实VR工作机理与关键技术分析

2018-12-23黄煦桐

电子制作 2018年22期

黄煦桐

（河北省武邑宏达中学，河北武邑，053400）

0 引言

虚拟现实技术是将人工智能，计算机图形技术，跟踪技术，显示技术等前沿技术集成在一起的综合模拟系统。虚拟现实主要是模拟一个三维空间的虚拟世界，让参与者在视觉听觉等感知方面身临其境，沉浸在里面。虚拟现实已经成为我国科技发展的趋势，如果说90年代是网络多媒体时代，那么21世纪就将是VR技术的年代。下面将对虚拟现实的工作机理和关键技术进行分析。

1 虚拟现实工作机理分析

■1.1 虚拟现实技术概念

虚拟现实技术(简称VR)是一门是由多种技术集合而成的前沿学科，包括多媒体技术，网络技术等多个复杂技术，极富挑战性和创造力。参与者通过特制的传感器，在视觉、听觉、触觉等感知系统的方面达到模拟真实的效果，形成一种虚拟世界。参与者依照自己的需要，在虚拟世界中进行操作，从而使自己沉浸在其中，到达人机交互的效果。纵使这周围的环境并不真实存在，但仿真的三维世界可以使参与者身临其境。

■1.2 虚拟现实技术构成要素

从文献调研来看，传感设备、感知、自然技能与计算机的模拟环境是构成虚拟现实技术的基本构成要素。

虚拟现实技术中的传感设备是指三维交互设备。三维交互设备包括参与者身上穿戴的设备，比如数据手套、数据衣、双目全方位显示器等。还有设置于现实环境中的传感设备，比如CAVE洞穴式虚拟现实显示系统，红外跟踪器等。

虚拟现实技术中的感知是指在理想的环境中具有人的感知功能，这通过包括由计算机图形带来的视觉，还包括环境中的听觉、触觉等。随着多感知技术的发展，人们对嗅觉和味觉技术追求日趋强烈。但就目前的技术水平来说，因为受到传感装置的限制，能够具有的感知功能仅仅限于视觉，听觉，触觉，运动等简单的感觉，在嗅觉，味觉等复杂的方面还正在进一步的研究中。

虚拟现实技术中的自然技能是指人体动作，如头部转动、眼球运动、手部动作等，由计算机来感知人体技能并处理动作产生的对应数据，通过系统反馈对用人体技能所产生的输入信息做出实时响应，让虚拟现实应用者有一种身临其境的感觉，甚至在虚拟世界参与活动的过程中还可以与其他参与者进行沟通交流。

虚拟现实技术中的模拟环境是由计算机生成并模拟的三维立体图像，需要逼真到视觉、听觉、嗅觉和触觉等的三维效果。生成的三维立体图像可以来自于真实世界的图像，也可以来自于自己想象的世界。

■1.3 虚拟现实技术工作过程

虚拟现实的工作过程简单来说可以分为以下三步：

第一步，运动的跟踪。例如为了显示精确的画面，在你环顾你的四周时，显示头盔必须以亚毫米级的精度跟踪你的头部运动。这是通过各种内置传感器来实现的。有了这些传感器提供的各种数据，显示头盔就可以跟随头部做出的任何运动。

第二步，全息投影。在已有的现实场景中建造一个新的环境，通过计算机成像技术把一些虚拟的抽象信息转换成有形的具体的影像。

第三步，展示。例如在虚拟世界中，当参与者改变自己的位置，处于新位置时，通过改变他所看到的信息，所听到的声音，甚至改变他手上的触觉，例如从坚硬到柔软，使参与者感知到位置周围环境的变换。

■1.4 虚拟现实技术特征分析

虚拟现实技术的特征主要有多感知性（Multisensory）、沉浸感(Immersive)、交互性(Interactive)、自主性(autonomous)和想象性(imaginative)等，其中沉浸感、交互性和想象性是三个最具典型的特征。

沉浸性(Immersive)是指借助计算机的输出逼真的三维图像，这种虚拟的环境与真实的客观世界一样，让人有种身临其境的感觉。

交互性(Interactive)是指基于计算机生成的虚拟环境下，充分借助一些传感设备进行相互交互，让人感觉就像是在客观世界一样，这也是虚拟现实系统最为至关重要的特征。过去的人们通过鼠标键盘进行信息交互，而现在人们可以直接深入计算机所构造的虚拟世界中与计算机进行交互。

想象性(imaginative)是基于计算机产生的虚拟环境和交互作用下，可以自发地获取新知识，这样不仅有助于提高感性认识，对人们的理性认识和主观能动性也有一定提高，从而深化相关概念并可以萌发新的思想，因而可以说，虚拟现实人的创造性思维是具有启发性作用的。

2 虚拟现实VR关键技术分析

■2.1 动态建模技术

动态建模技术是虚拟现实技术的核心，其主要是针对现实环境或想象模拟环境进行计算机模拟实现，其最终目的就是借助计算机强大的数据处理能力将真实客观环境和虚拟环境数据，转化为三维立体虚拟环境。基于建模技术建立的虚拟环境虽然需要极大的内存，但是便于操作和人机交互。目前的建模技术包括几何建模，行为建模和物理建模。

■2.2 计算机图形技术

计算机图形技术是一种借助强大的数学算法将传统的二维/三维图形转化为能显示的格式的科学。简单地说，计算机图形技术就是用计算机生成、显示、绘制图形的技术。计算机图形技术是虚拟现实系统的基础，例如在模拟飞行过程中，对于图像的生成和更新十分依赖，对于图像的清晰度要求更高，这些都要依靠计算机图形技术实现。

■2.3 立体显示技术

虚拟现实技术的目的就是展示三维立体世界，该技术的本质是利用眼睛对立体视觉差产生的综合神经反射，通过光学技术为眼睛提供两幅具有特定位差的图像，这样人们便可以在视觉和心理的反应等角度产生三维立体感觉。在虚拟现实技术中，正是利用该视觉差原理，将两副具有特定位差的图像借助显示器分别呈现给人们的左眼和右眼，因此便能获得实际的3D感觉体验。参与者的两只眼睛看到的图像是通过立体显示技术呈现在虚拟现实的眼镜上，通过特定的技术，使得两只眼睛都只能看到奇（偶）数帧的图像，因而产生了立体感。立体显示主要有以下几种方式：双色眼镜、主动立体显示、被动同步的立体投影设备、立体显示器等高级设备。

■2.4 视觉跟踪技术

视觉跟踪技术是借助计算机技术对运动目标进行特征检测、特征提取、运动识别和运动跟踪，进而通过算法获得运动参数。在获取运动参数之后，视觉跟踪技术便可在虚拟现实技术的综合作用下进行下一步的处理与分析，实现对运动目标行为的理解与解析，以完成后续更高层次的跟踪任务。在虚拟世界中，每个物体都有自己的位置，而参与者也有自己的位置。参与者所面对的景象就是通过追踪参与者的头部的方向来确定的。

■2.5 多感知技术

多感知技术包括手势控制、语音命令、眼球追踪和面部识别等。其中发展成熟的有语音命令、面部识别和接触式手势控制，且均已得到了广泛应用，而眼球运动追踪和非接触式手势控制技术近些年也得到了虚拟现实技术的关注。例如在虚拟现实的系统里，参与者要抓取面前的苹果，如果没有感知技术（在体验手套里安装可以振动的触点来模拟触感），那么参与者的手就会穿过苹果，这在现实生活中是不存在的。

■2.6 语音输入输出技术

语音输入输出技术是指将人的语音信息直接输入和输出虚拟世界与真实世界，参与者通过语音技术在虚拟环境中也能同其他参与者自由交流。在现实生活中，声音传来的方向根据头部的转动而改变。但目前在虚拟现实系统中，声音的方向与参与者头部的转动没有关系。语音识别技术是我国的发展技术语音识别技术所涉及的领域包括：信号处理、模式识别、人工智能等等。