淺談虛擬現(xiàn)實的實現(xiàn)及應用

北京理工大學珠海學院計算機學院 黃鴻宇

北京理工大學珠海學院 吳 方

北京理工大學珠海學院計算機學院 歐芷珊 李 韜 劉卓豪

0.引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)，簡稱VR技術(shù)。是近年來發(fā)展非常迅速的一項計算機技術(shù)，它綜合了計算機圖形學，傳感器技術(shù)，多媒體技術(shù)，人機接口技術(shù)，立體顯示技術(shù)及仿真技術(shù)等，憑借著其逼真的人機交互模式闖進了我們的生活。教育，工業(yè)，娛樂，醫(yī)療等領(lǐng)域也在慢慢引入并運用。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，硬件產(chǎn)品性能逐漸提高且價格逐漸變低，虛擬現(xiàn)實技術(shù)越來越成熟，運用范圍也愈來愈廣，一個全新的時代在向我們走來。

從現(xiàn)實世界到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)再到用戶，如下圖1所示，虛擬現(xiàn)實技術(shù)便是這樣實現(xiàn)的。

圖1

1.虛擬現(xiàn)實的實現(xiàn)

1.1 如何實現(xiàn)精確定位

虛擬現(xiàn)實是怎么去實現(xiàn)的呢？我們就又不得不去思考它是怎么做到精確定位了,這便涉及到了VR眼鏡的空間定位技術(shù)了。VR眼鏡的空間定位技術(shù)主要有激光定位，紅外線定位，可見光定位等，被人們津津樂道的HTC vive 的Lighthouse 技術(shù)則是采用激光定位技術(shù)確定物體位置的，激光發(fā)射塔每秒發(fā)射6次激光，其內(nèi)置的掃描模塊對手柄和頭盔上的光敏傳感器進行掃描來確定其準確位置。同時，眼動儀也是一種重要的人體跟蹤設(shè)備，主要借助眼球運動的追蹤從而實現(xiàn)定位功能。

1.2 如何實現(xiàn)運動捕捉及實時傳送

這就涉及到動作捕捉技術(shù)。動作捕捉技術(shù)是否跟我們現(xiàn)實中的GPS定位是一樣的原理呢？我們都知道GPS定位技術(shù)使用的是衛(wèi)星定位在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)定位、導航功能。那么，我們把身上的每個關(guān)節(jié)都追蹤定位是不是就可以實現(xiàn)運動捕捉呢？是的，GPS技術(shù)和動作捕捉技術(shù)的確有許多相似之處。

動作捕捉技術(shù)使用傳感器進行定位，通過加速度計，陀螺儀，磁力計等慣性測量傳感器節(jié)點，將所獲取的運動物體的位置、速度等信息通過藍牙，WiFi等無線模塊傳送到計算機，從而實現(xiàn)跟蹤定位功能；信號捕捉裝備進行信號的捕捉和獲取，在機械捕捉系統(tǒng)中，動作捕捉是通過光學線路板收集電信號來完成，而在現(xiàn)廣泛采用的光學動作捕捉系統(tǒng)中，則使用高分辨率的紅外攝影機進行信號的捕捉和獲取；數(shù)據(jù)傳輸和處理設(shè)備則負責將所獲取的數(shù)據(jù)實時地傳入計算機進行實時分析及處理，借助數(shù)據(jù)處理軟件和硬件將運動信號以自然語言展現(xiàn)出來，從而將修正和加工后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺S模型實現(xiàn)動作呈現(xiàn)。

1.3 如何讓用戶身臨其境

用戶身著VR設(shè)備，即使沒有真正地來到娛樂場，也能體驗到玩過山車時的刺激感，甚至有可能在虛擬的環(huán)境中隨之心速加快，尖叫，像是真的體驗過。即使沒有真正地去到世界各地，也能“身臨其境”般看到各國風景，實現(xiàn)環(huán)球旅行的夢想。這一切在以前看來似乎匪夷所思，而VR時代的到來，卻讓這一切變得不再陌生，那么，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是如何讓用戶身臨其境的呢？

首先，便是在視覺感知方面。用戶受視域，視角，視場角，亮度和對比度5個方面的影響，在現(xiàn)實世界中，又由于人類的眼睛位置不一樣，左右眼所看事物有所不同，即所謂的視差，導致人們所看到的世界是立體的，那么，怎么通過VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)向用戶傳遞不同的圖像信息從而讓用戶身臨其境呢？

這就便要談到我們的立體顯示技術(shù)了。立體顯示技術(shù)就是要解決人類視差引起左、右兩眼所看事物不一致的問題，負責將計算機圖形學和計算機視覺方法呈現(xiàn)出的平面虛擬現(xiàn)實圖像轉(zhuǎn)化為三維全景圖像。立體成像技術(shù)主要有兩類——裸眼立體成像和基于眼鏡立體成像。目前我們所接觸到的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，主要通過眼鏡獲得立體視覺展示，即我們所熟知的VR頭戴顯示設(shè)備，其中基于立體成像技術(shù)主要包括被動式中的色差式立體眼鏡成像技術(shù)、偏振光立體成像技術(shù)，主動式中的主動快門式立體成像技術(shù)及現(xiàn)廣泛運用于虛擬現(xiàn)實頭戴式顯示器的左右分屏主體成像技術(shù)。而在我們利用Unity開發(fā)三維游戲，三維動畫時也常利用這種較為簡單的左右分屏立體式成像技術(shù)——為左右眼制作兩個獨立的畫面，然后在左右眼配置的兩組小型顯示器來單獨顯示左右眼畫面，達到立體效果。

其次，便是聲音感知了。人類的聽覺器官對音色，頻率范圍，聲音強度以及定位四種感知參數(shù)較為敏感，為了提高用戶體驗，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)也充分利用以上參數(shù)生成具有立體感的三維效果。

為了形成全景聲音和沉浸式音頻效果，虛擬現(xiàn)實技術(shù)由聲音采集和聲音回放技術(shù)實現(xiàn)。聲音采集包括雙耳錄音和數(shù)字化模擬的3D音頻技術(shù)，雙耳錄音利用頭相關(guān)傳輸函數(shù)原理來模擬人耳聽到聲音的整個過程來收集聲音，而數(shù)字化模擬的3D音頻技術(shù)則是基于數(shù)字化技術(shù)模擬HRTF（Head Related Transfer Function），通過多個方向的麥克風采集聲音信息，對聲場進行還原從而收集聲音。聲音回放技術(shù)包括雙耳回放和多通道回放技術(shù)，前者是通過耳機回放出來，后者則是通過聲場重建技術(shù)將聲音進行回放。

最后，便是除視覺和聽覺之外最重要的觸覺和力覺了。觸覺和力覺能讓人們感受到溫度、壓力等感覺，為了使用戶擁有身臨其境的觸感，虛擬現(xiàn)實中的交互設(shè)備也在這方面進行了研究，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個難點。

觸覺反饋技術(shù)分為桌面型觸覺反饋技術(shù)和可穿戴式觸覺反饋技術(shù)，而由于桌面型穿戴技術(shù)無法移動且占據(jù)一定空間，可穿戴式觸覺反饋逐漸成為虛擬現(xiàn)實觸覺反饋的主流。

2.對虛擬現(xiàn)實的應用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)引發(fā)了一場科技革命，我們因為這一新型技術(shù)的到來欣喜不已，因為無論是已發(fā)生的事物還是仍未實現(xiàn)的未來，我們都能通過這一技術(shù)實現(xiàn)。現(xiàn)如今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也逐漸滲入我們生活中的方方面面。

（1）工業(yè)設(shè)計的應用。在工業(yè)設(shè)計方面的應用則主要是對產(chǎn)品的虛擬設(shè)計。當設(shè)計師們有了產(chǎn)品的設(shè)計圖稿時，如果直接運用于實物生產(chǎn)，有時候或許仍需要修改，測試，導致了一個產(chǎn)品有無數(shù)樣品，從而導致資源浪費。然而，虛擬設(shè)計的出現(xiàn)大大改善了此類問題。設(shè)計師們可以對虛擬產(chǎn)品進行無數(shù)次的改進，測試之后再生產(chǎn)產(chǎn)品，這樣不僅提高了生產(chǎn)效率同時也節(jié)約了資源。同樣地，對產(chǎn)品的虛擬維修也為企業(yè)的發(fā)展提供了一個很好的平臺。

（2）虛擬教育的應用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用到教育上面也逐漸在實現(xiàn)，當學生們在學習《我愛北京天安門》時也能通過虛擬技術(shù)足不出戶地體驗到天安門前五星紅旗迎風飄揚的場景，從而體會油然而生的民族自豪感。同樣地，在化學的學習上，對于我們無法用于做實驗的硫酸等強腐蝕性化學材料，我們也能通過虛擬實驗室去體驗它的特性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)讓教育變得更加有趣，讓學生們不僅僅局限于老師于課堂上所講的理論知識學習，同時也讓學生們切身去體會學習的樂趣，從而提高了教學質(zhì)量。

（3）娛樂領(lǐng)域的應用。我們所熟知的VR游戲是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用的一個重要領(lǐng)域。相比單機或聯(lián)機的二維游戲，VR游戲無疑為游戲愛好者提供了一種更為“新鮮”的玩法。在射擊類VR游戲中，我們能夠通過自己身體的躲閃真正地躲避“敵人”的攻擊，也能通過瞄準，扣動手柄等方式對“敵人”進行射擊。它有著更強的人機交互模式，同時也讓游戲用戶有了更強的沉浸感，大大提高了游戲體驗。

（4）軍事領(lǐng)域的應用。戰(zhàn)爭越來越趨向于高科技作戰(zhàn)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也愈來愈頻繁地運用于軍事領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過模仿現(xiàn)實作戰(zhàn)環(huán)境——沙漠到叢林，建筑，士兵等，同時以它給人視覺，聽覺上的沉浸感來達到訓練，研究，演習等效果。而在不斷地使用多兵種，多環(huán)境，多戰(zhàn)術(shù)演練之后，在真正上了戰(zhàn)場之后便不會再陌生作戰(zhàn)環(huán)境。

（5）虛擬醫(yī)療的應用。虛擬醫(yī)療聽起來或許不可思議，而它卻是虛擬現(xiàn)實技術(shù)一個較為典型的運用。無論是虛擬手術(shù)，虛擬人體，虛擬治療，虛擬實驗，虛擬現(xiàn)實技術(shù)都為醫(yī)療領(lǐng)域做了很大貢獻。在較為棘手的手術(shù)前，可先通過虛擬技術(shù)對手術(shù)進行仿真訓練后再對實際手術(shù)做出相應的策略從而提高手術(shù)成功率。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)，測繪，地產(chǎn)，旅游，虛擬博物館等領(lǐng)域也發(fā)揮著極其重要的作用。虛擬技術(shù)慢慢地滲入我們生活的方方面面，為我們的生活提供了不少便利，也為我們的各項科學研究節(jié)省了不少資源。

3.結(jié)束語

在信息技術(shù)越來越發(fā)達的今天，VR技術(shù)勢必會慢慢地將現(xiàn)實世界還原，只是到了那個時候，我們是否會分不清現(xiàn)實世界和虛擬現(xiàn)實？我們是否會因為沉迷虛擬現(xiàn)實而“無可自拔”，這些或許又需要我們?nèi)ニ伎剂恕?/p>

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