基于VR眼镜和智能手机的虚拟现实应用系统

苏州农业职业技术学院 刁玉琦

虚拟现实技术作为先进的人机交互技术，在当前已经得到了较好的应用，可通过结合计算机图形技术与视觉技术，为用户带来渲染后的虚拟场景，以此提升用户的虚拟现实的体验感。但根据目前的技术发展水平来看，虚拟现实技术成本较高，难以满足消费者的多元化的体验消费。因此，本文概述了虚拟现实技术的理论内涵，探讨了基于VR眼镜与智能手机的虚拟现实系统的设计，引入蓝牙手柄的硬件，以此来拓展虚拟现实技术的应用，通过描述虚拟设备的实现方式，最终为用户提供沉浸感的EAST装置，实现了虚拟现实漫游应用。

1 研究背景

1.1 文献综述

在现实生活中，虚拟现实技术（VR）已经得到了较快的应用，该技术的特点在于多感知性、成长感、交互性和自主性，现阶段已经被广泛用于游戏、教育、医疗、设计、军事等领域，针对于这种新型技术，许多学者开始了广泛的研究。伴随信息技术的不断发展，虚拟现实技术正逐步走入教学环境中，解决了当前高校教学中存在的教学方式单一、资源贫乏等问题[1]。这对于改善枯燥的教学模式、丰富教学资源、增加学生在虚拟环境中的体验感具有十分重要的作用。现阶段，学生只有通过真实的体验融入教学活动，才可以通过自我导向的方式，实现自主学习，进而提高自我控制能力。在航空工业方面，自2014年开始，现有的视听接触优势技术为虚拟技术提供了全方位的物质基础。当前，已经应用于飞机概念座舱设计中，开发了沉浸式座舱系统。由此有效推动“数字模型-船体模型-评估-迭代数字模型”的转换，极大地加快了迭代设计速度，降低了研制成本[2]。上述研究是从VR技术的应用角度来探讨的，但在设计过程中，需要借助移动设备与VR设备进行互联互通，提高该技术的不断升级。

1.2 研究目的

伴随虚拟现实技术的不断发展，在许多领域已经成为了研究热点问题。在此基础上，虚拟现实的相关设备也在不断更新、精简。如何利用智能手机连接VR眼镜，进行虚拟现实应用系统的设计，是本文所要研究的关键点。现阶段，VR技术虽已经在社会生活中得到了应用，但因其体验价格高、消费贵等劣势，难以在实际生活中大力推广。因此，采用智能手机，结合VR虚拟技术，建立虚拟现实应用系统，具有重要的现实意义。

2 虚拟现实的关键技术和基础设备

2.1 虚拟现实的关键技术的理论分析

所谓虚拟技术，是在计算机上生成一个三维空间，并利用该空间，为使用者提供了视觉、听觉、触觉等感官的虚拟感觉，让其仿佛身临其境的一种新型技术。VR发展史可以分为4个阶段：在1963年以前，是一种有声形动态的模拟；1963—1972年之间，处于虚拟现实萌芽阶段；在1973—1989年之间，虚拟现实概念的产生和理论形成；1990—2004年之间，虚拟现实技术理论进一步的完善和应用；2004年至今，VR技术仍处于不断发展的阶段。在当前的发展新时期，VR技术应用于现实系统中，就需要解决自动定位、自动校准、三维测量与定位、信息编码与解码等技术，通过将实物与技术进行特征结构化，可以再现真实的现实场景。

2.2 当前虚拟现实主流设备分类

现阶段，VR技术的升级加快了虚拟现实设备的更新换代的速度。从传统笨重的机器，向更轻便的穿戴设备转变，并且一直向轻便、舒适的领域延伸[3]。新时代以来越来越多的大型IT企业已经开始进行虚拟现实领域的研究，并且不断地研究出虚拟现实硬件设备。例如，OCULUS VR公司推出穿戴设备Oculus Rifd DK系列，已经受到了人们的广泛关注；索尼公司展出PlayStation4游戏配合使用的头戴设备Project Morpheus，为游戏爱好者提供了新的体验。谷歌、暴风科技等公司，也相继推出科技设备。但本文主要介绍当前主流的虚拟现实设备，包括索尼Project Morpheus、Oculus Rifd、Google Cardboard、VR眼镜等，具体内容效果如表1所示。

表1 各类虚拟技术设备的功能效果对比Tab.1 Function effect comparison of various virtual technology devices

综合来说，VR眼镜具有简单易用、适配手机型号更广，而且价格较为便宜等优势，可以让更多人体验到VR技术并且了解其基本原理，这也是为什么本篇文章选用VR眼镜来作为构建虚拟现实系统的硬件基础设备的原因。

3 基于VR眼镜和智能手机的虚拟现实应用开发

虚拟现实技术在当前社会中得到了快速发展，促进虚拟现实应用的不断推陈出新，再加上虚拟现实设备的更新速度也在加快，使得虚拟体验门槛越来越低。为此，在本次实验中将VR眼镜与智能手机相结合，搭建虚拟现实系统。一般而言，在虚拟现实方向中，VR眼镜的体验功能尚未被完全开发，而借助智能手机、蓝牙手柄等设备，可以让用户更加真实、廉价体验虚拟现实技术。

3.1 硬件开发

VR眼镜本身不进行任何的计算，所有计算和显示都是借助智能手机来完成的。近年来，MEMS传感技术的不断发展，使得虚拟技术头部追踪技术都在应用该技术，许多智能手机也内置了MEMS传感器，例如陀螺仪等[4]。这为VR眼镜配合智能手机来实现虚拟现实技术提供了必要条件。为此，通过陀螺仪技术，实现人机虚拟世界的交互。

目前，在手机中，陀螺仪和加速度计构造相同，两者都是由三轴组成的，可检测手机的角速度。在其内部的驱动下，振动金属片，使得手机在旋转时，振动部件可以沿着X、Y、Z三方向扭曲，随后通过角速度传感给手机可以认知的信号。

3.2 软件开发

用户沉浸式的强弱与软件的质量息息相关，因此，如何结合虚拟技术的相关理论基础，以及关联的技术对软件进行开发，成为本文研究的重要方向[5]。在此推荐利用渲染引擎Unity3D作为虚拟现实软件开发的方法。

作为一个综合开发环境，Unity3D集成最大的特点是层级式发展，能够以Visual的形式进行编辑，并且该软件可以把动态属性和其相关联的内容进行预览，为使用者提供更好的工作方式。目前，Unity3D构成程序的基本单元为初步的场景（Scene），而多个场景又组合成了一个初级的Unity3D程序。另外，单个场景又由多个对象（GameObject）来组成，并细分为脚本（Script）。同时，为了方便开发者对图像进行多样化的处理工作，需要利用Direct3D、OpenGL以及APIs等技术，不断导入相关资源。在此方面，最为常见的格式为OBJ、3DS等。除此之外，Unity3D技术又内置了NVIDIA强大的物理引擎，因此可充分满足多个平台开发的需要。

3.3 基于Unity3D的虚拟现实系统的软件开发

在虚拟现实应用软件中，最为关键的一个技术，就是搭建虚拟的人工环境，并将该环境通过立体的形式传递给用户，使之融入沉浸感中。由于双目存在视差是人眼立体感觉形成的最重要因素，因此我们采用视差原理，运用Unity3D引擎建立立体的视觉。此时设置具体的软件系统，具体如下所示：

（1）Scene视图作为虚拟世界，存放虚拟物体；

（2）Main Camera主摄像机，作为一个虚拟摄像机，运行Game视图。

此时假设：将虚拟摄像机作为观测该虚拟世界的“眼睛”，我们在虚拟世界中放置一个球体，且观测视角为球体的正视方向，我们可以通过以下方式来实现：

（1）在场景（Scene）中建正方体（Cube），把它定位在空间坐标为(0,0,0)的位置，

（2）将主摄像机（Main Camera）放置到(0,0,-2)位置，保证与正方体有2个单位的距离，使正方体处于主摄像机的视野范围内。

从中可以看出，虚拟摄像机照射范围在2个单位内。

（3）我们打开摄像机Camera1，同时关闭摄像机Camera2，代码如下：

最终效果，我们可以看到左边的平面是绿色，而看不到右边的蓝色，视角将接近左边的球体。

3.4 应用范例

3.4.1 蓝牙手柄与虚拟环境的互动

通过先进的蓝牙技术，将其与智能手机建立连接。打开蓝牙手柄，通过蓝牙功能收到蓝牙信号，并建立配对关系。连接成功后，在Unity3D引擎中输入信号，使得内容Inputmanager进行相应配对，读写、编写不同的响应事件。

3.4.2 EAST装置内部的虚拟现实漫游

从现实情况来看，East装置有着较高的高度，外部直径为8m，重量为400t。需要在超强电磁场、超真空等苛刻条件中工作，能够建立十分严格的标准条件。在停止装置工作之前，人们无法得知内部的具体情况，所以有必要对这些装置结合VR技术来开发，能够在不进入内部的情况下了解具体的发生情况，以此作出对应的处理。

4 结论

综上所述，虚拟现实技术在当前社会中的应用越加广泛，成为学术界中讨论的一个热点。伴随虚拟技术的不断成熟，虚拟设备也在不断丰富与创新。这就使得人们与虚拟现实之间的距离更加接近，特别是VR头戴式显示设备封闭人外界的视听感觉，引导用户处于一种虚拟环境中的感觉。该技术的原理在于，通过左右眼屏幕分别显示图像，使得人眼有了较大差异，从而将信息导入大脑，使之产生巨大的立体感。但同时，这种体验感觉造价较高，普通消费者难以承受这类消费。为此，通过将VR眼镜与智能手机连接，使得用户在廉价体验的同时，得到更好的应用。

引用

[1]ZHANG M W B,HO R C M.Smartphone Applications for Immersive Virtual Reality Therapy for Internet Addiction and Internet Gaming Disorder[J].Technology & Health Care,2016,25(2):367-372.

[2]SUN G C,CHEN X L,HOU Y Z,et al.Image-guided Endoscopic Surgery for Spontaneous Supratentorial Intracerebral Hematoma[J]. Journal of Neurosurgery,2016,127(3):537.

[3]OZDALGA E,OZDALGA A,AHUJA N.The Smartphone in Medicine:A Review of Current and Potential Use Among Physicians and Students [J].Journal of Medical Internet Research,2012,14(5): 128.

[4]HUANG J,ETZIONI O,ZETTLEMOYER L,et al.RevMiner:An Extractive Interface for Navigating Reviews on a Smartphone[J].Uist12 Proceedings of Annual Acm Symposium on User Interface Software & Technology,2013,44(1):3-12.

[5]LAURILA J K,GATICA-PEREZ D,AAD I,et al.From Big Smartphone Data to Worldwide Research:The Mobile Data Challenge[J]. Pervasive & Mobile Computing,2013,9(6):752-771.