计算机虚拟现实关键技术及其应用研究

吕细巧

摘要：计算机虚拟现实技术可以实现虚拟场景、空间、人物等视觉以及听觉、乃至于触感方面的仿真、渲染。该文首先分析了计算机虚拟现实技术的内涵、特色以及发展现状，其次分析了实现虚拟现实效果所依托的关键技术，再次分析了在关键技术的支持下计算机虚拟现实的具体应用方面，最后分析了计算机虚拟现实关键技术的发展趋势及应用前景。

关键词： 计算机虚拟现实关键技术应用

中图分类号：TP39文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract：Computer virtual reality technology can realize the simulation and rendering of visual， auditory and even tactile aspects of virtual scene， space and characters. This paper first analyzes the connotation， characteristics and development status of computer virtual reality technology， then analyzes the key technologies to realize the effect of virtual reality， again analyzes the specific application of computer virtual reality with the support of key technologies， and finally analyzes the development trend and application prospectof key technologies of computer virtual reality.

Key Words： Computer; Virtual reality; Key technologies; Application

計算机虚拟现实技术是依托于计算机信息技术、互联网技术，并采用仿真技术、建模技术等架构创新出来的新型技术手段。计算机虚拟现实技术被简称为VR技术，这种技术在很多项目、行业中都有所应用。虚拟现实即一种虚拟环境，给人带来仿真的感受，高水平的虚拟技术可以构建十分接近于现实的场景，有些情况下甚至难辨真假。计算机虚拟现实技术中，像建模、图像生成、立体显示、传感器以及应用系统开发、系统集成等技术都是其关键技术，实现关键技术的应用及革新可促使计算机虚拟技术的不断发展。

1 计算机虚拟现实技术概述

1.1计算机虚拟现实技术的内涵

计算机虚拟现实技术是指视觉体验及感受方面的仿真技术，是一种能够虚拟出逼真现实的计算机技术，其主要利用计算机软件技术来构建一种虚拟的三维场景，用户可以在计算机虚拟现实技术打造出的三维场景中获得视觉上的真实感受，比如：获得真实的空间感的体验，虽然这种视觉感受上的真实性与现实环境存在较大的差距，但是已经能够给人们带来很多新奇的体验，也可以解决很多现实生活中难以解决的问题[1-2]。有的虚拟现实技术可以直接裸眼观看，但是有的则需要佩戴交互设备观看，借助交互设备的话可以产生更强的视觉沉浸感，在身体感知方面也会增强。

1.2计算机虚拟现实技术的特色

在计算机多种技术的应用下，虚拟现实场景的真实性和体验感也越来越强，其特色主要表现在交互性、沉浸性、智能性三大方面。首先，计算机虚拟现实技术的应用具有交互性，在交互功能的支持下，用户可以与计算机所创造出来的虚拟现实之间进行互动，在虚拟场景中，用户可以在可视化条件的支撑下利用操作柄、操作手套等进行一些虚拟的操作，而且可以实现语音输入，在操作之后也可以获得虚拟场景的响应，这样就形成了交互的效果。其次，计算机虚拟现实技术所具有的沉浸性可以让用户在使用的过程中形成沉浸感，这是一种主观感受，当用户沉浸于虚拟现实中时，可能会忽略现实的时空，从而全身心地感受虚拟的时空场域。最后，计算机虚拟现实技术的智能性特点可以促使其做出智能化的响应，比如自动运算、智能回复、自动操作等[3]。

1.3计算机虚拟现实技术的发展现状

就当前来看，计算机虚拟现实技术有了快速的发展，并且已经应用于很多行业中，解决了不少现实世界中难以解决的问题。但是虚拟现实技术的开发成本较高，与现实项目的转换率较低，大多情况下，用户还是能够鲜明地感受到虚拟现实场景和真实场景之间的差异。可见，现在虚拟现实技术的发展仍然处于开发研究的初期阶段。

2 计算机虚拟现实的关键技术

2.1动态环境建模技术

我们现实生活的场景是三维场景，那么想要虚拟现实所搭建的场景达到仿真的效果，必须利用三维立体设计软件，主要应用其三维建模功能，如CAD软件、MAYA 软件等，这些三维软件的综合应用可以打造出三维立体化的场景模型。要想实现更具真实效果的建模，对于这些软件的应用需要十分娴熟，并应掌握自然场景的打造方式。但是仅仅建成静态三维场景模型之后并不能让用户获得逼真的体验，必须要再应用动态环境建模技术来进行渲染加工，使得建模场景可以跟随用户的视角来移动、变化[4]。动态环境建模往往需要获取到实际环境的三维数据，利用一些数据采集设备，将这些三维数据收集起来，并对应到场景模型中。经过对三维数据的分析建模和动态的仿真设计，才能够形成相应的非接触式的视觉仿真效果，打造出虚拟现实环境模型。

2.2三维图像生成技术

计算机虚拟场景的建设还需对所设计开发的场景进行输出，三维图像的数据量很大，动态的场景数据量更大，三维图像生成技术已经比较成熟，但是想要输出庞大数据量还需要一定硬件设备的支撑。在建模完成之后，要保障相应的计算机虚拟场景能够不失真、不降低质量，还能保障图景的复杂程度。另外，在对虚拟现实场景的实际应用过程中，三维图像需要实时生成和不断更新，这时同样需要三维图像生成技术的支持，特别是在联网的环境下，还受到网络传输速度的影响。只有确保三维图像生成速度高于每秒30帧才能够让图景更为流畅，更加趋同于真实场景[5]。

2.3立体显示技术

计算机虚拟场景中的关键技术还包括立体显示技术。立体显示技术与平面显示技术不同，平面显示只需要控制画面二维方向的精度，比如：当前的电视机可以实现4K高清，但是这属于技术的更新升级，立体现实技术的难度要高很多。立体显示技术增加了一个显示的维度，要想保持动态的高精度十分困难。首先，立体显示必须要有相应的硬件支撑，形成三个维度的显示输出;其次，立体显示需要能够跟随用户的视角实现动态的显示。

2.4传感器技术

计算机虚拟场景中，传感器技术的应用也十分关键。比如：在计算机三维场景建模的过程中需要应用传感器技术来进行相应场景信息的收集，或者是一些动作的收集;在将虚拟现实场景呈现给用户时，也需要传感器技术的支持。相应的传感器可以直接安装在设备上，通过传感器来收集用户的动作信息、语音信息等，可以发送指令，并让虚拟现实场景跟随用户视角或者要求来做出反应和变化。没有传感器技术的话，虚拟现实就缺乏了交互性，无法做到与用户之间的互动。有些虚拟现实场景是具备交互功能的，这种虚拟现实场景就缺乏了深度的体验性。

2.5应用系统开发技术

计算机虚拟现实关键技术还包括应用系统开发技术，即虚拟现实场景的开发技术，如虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。基于这些应用系统开发技术才能够开发出计算机虚拟现实场景。不同的场景对于系统开发工具和平台的要求不同，越趋向于真实的虚拟场景越需要专业的系统开发技术。

2.6系统集成技术

计算机虚拟现实关键技术还包括系统集成技术，系统集成技术是将较多信息技术集成到一个模块上，这样可以提高计算机虚拟现实技术的应用效果[6]。比如：在建立虚拟现实系统时对数据信息技术的应用较多，包括信息的同步技术、数据的转换技术、数据信息的识别技术以及合成技术等。

3 关键技术支持下计算机虚拟现实的具体应用

在相应关键技术的支持下，计算机虚拟现实的应用较为广泛，就当前来看，主要应用于如下几个行业或者领域中。

3.1在教育培训行业中的应用

随着在线教育的发展，计算机虚拟现实技术已经应用在教育培训行业中，以丰富教育培训的形式，为学习者提供更为多样化的教育模式，也可以有效提高学习者的学习兴趣和学校效果。有些教育培训的项目内容采用虚拟现实技术的效果比较好，比如：一些实验类、建造类的课程教学，利用虚拟现实技术可以为学习者呈现出仿真的場景，学习者可以在虚拟场景下开展实验、模拟建设，获取相应的数据。有些企业培训中，也可以应用虚拟现实技术来增强培训的效果，比如：为员工打造沉浸式的学习场景，可以增强相应项目内容的教学效率。虚拟现实技术在教育培训行业中的应用也将越来越普遍和广泛。

3.2在游戏及影视行业中的应用

计算机虚拟现实技术已经广泛应用于游戏以及影视行业，而且这也是虚拟现实技术盈利率最高的行业。虚拟现实技术应用于游戏行业中，主要是建模3D游戏，如三维体感游戏、三维情境体验式游戏。当前不少游戏开发出的VR穿戴设备，用户可以在戴上眼罩、拿上游戏手柄，在家中就应用虚拟现实场景游戏来进行休闲娱乐。从当前的市场形势来看，计算机虚拟技术在游戏开发中的应用前景较好，而且很多年轻人热衷于体验这种虚拟现实游戏，这也无形中促使了虚拟现实技术的发展。在影视行业中，虚拟现实技术的应用也愈加普遍。比如当前热门的3D电影，这其中就需要应用到虚拟现实技术来搭建虚拟现实空间，从而可以在摄影棚中拍摄出各种各样的场景，经过渲染制作，人物能够与场景融为一体，可以给观看者带来沉浸式的体验。

3.3考古研究和古迹复原领域的应用

计算机虚拟现实技术还应用于考古和古迹复原领域的应用中，比如：一些古建筑在历史的风霜下失去了原来的风貌，或者是一些建筑已经消失，则现在已经在采用计算机虚拟现实技术来进行复原。通过虚拟现实技术的复原，可以开展进一步的研究，也可以让更多的人看到古建筑的风貌，一些古迹复原工程中应用虚拟现实技术也达到了文物保护、文物研究和旅游宣传一体化的作用。虽然当前虚拟现实技术在考古研究中的应用还比较少，但是其可以发挥出不可替代的历史资料的作用，随着计算机虚拟技术的不断成熟、应用成本的降低，其在考古方面研究的应用也会更加普遍。

3.4在医学、军事、航空领域的应用

计算机虚拟现实技术在医学、军事以及航空等领域的应用也发挥出了很大的作用，可以帮助开展医学研究、或者是模拟军事演练场景，也可以模拟太空场景，为一些现实难以实现的操作提供沉浸式情境的设置。在医学领域，计算机虚拟现实技术可以模拟手术操作场景，组织开展模拟手术的训练;在军事领域，也可以利用虚拟现实技术进行模拟训练;在航空领域，一些应急处置操作的练习可以通过虚拟现实技术来帮助实现，通过开发相应的虚拟现实场景及系统，可以有效提高宇航员的应急处置能力。

4 计算机虚拟现实关键技术的发展趋势及应用前景

计算机虚拟现实关键技术较多，而且一些关键技术的应用要求较高，相应技术都处于不断的开发升级中，计算机虚拟现实关键技术的发展前景是十分光明的，关键则在于技术的成熟和成本的降低，让计算机虚拟现实技术也可以进一步应用到各行各业中。未来，计算机虚拟现实关键技术将进一步提高智能化、集成性、模块化，从而更高效地推动虚拟现实场景的搭建。而且，新一代的信息技术人才的成长可以促使计算机虚拟关键技术得以进一步发展革新。在未来技术成熟之后，虚拟现实场景的制作成本也能够下降，虚拟现实技术的应用能够更加广泛。除了在现有应用领域进一步拓展之外，还可以应用到一些新的行业领域中，比如购物、旅游、制造等领域。像汽车制造和营销过程中，可以采用虚拟现实技术来“造车”，并在用户市场进行检验，用户可以在虚拟现实场景中体验用车，最终为车企提供意见反馈，车企再改进产品，由此，可以使得产品更加适应市场需求[7]。

5 结语

综上所述，计算机虚拟现实场景的搭建以及交互性的实现需要较多技术的支撑，重点包括动态环境建模技术、三维图像生成技术、立体显示技术、传感器技术、应用系统开发技术、系统集成技术，这些关键技术缺一不可。当前，在这些关键技术的支撑下，计算机虚拟现实的应用已经比较广泛，未来，虚拟现实技术还有很大的发展空间和应用前景，需要相关的研究者不断创新创造。

参考文献

[1] 周露露. 三维动画创作中虚拟现实技术的应用研究[D].南京：南京艺术学院，2021.

[2] 李明燃. 基于虚拟现实技术（VR）的当代公共艺术[D].北京：中央美术学院，2021.

[3] 胡岩珊. 虚拟现实技术对人类思维认知的影响研究[D].哈尔滨：哈尔滨师范大学，2021.

[4] 李超鹏. 论虚拟现实技术在现代工业设计中的应用[D].济南：齐鲁工业大学，2020.

[5] 祝海英.VR场景建设标准及规范的研究与应用[J].科技资讯，2020，18（35）：26-28.

[6] 赵云浩，殷伟，郑东双.浅谈对大数据和虚拟以及现实空间的联系与猜想[J].科技资讯，2020，18（6）：24-25.

[7] 朱杰.虚拟现实技术与数字影像技术的发展与研究[J].科技创新导报，2019，16（35）：134，136.