虛擬現實關鍵技術研究及應用

曹海樂，于海濤

（中科奇創（天津）科技有限公司，天津 300309）

自從計算機發明以來，計算機一直是傳統信息處理環境的主體，它只具有在數字化的單維信息空間中處理問題的能力。而事實上，人類是依靠自己在多維化的信息空間中認識問題。因此，人們需要突破現有單純信息渠道建立一個多種信息源的信息空間。虛擬環境是由計算機生成的，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產生身臨其境感覺的交互式視景仿真。

綜上所述，虛擬現實技術在各個領域的應用是具有可行性。如何在各個領域中實現高效體驗是一個需要解決的問題。

1 研究背景

美國是虛擬現實技術的發源地，它的研究水平一直走在國際前列，所研發的技術也被應用到各個領域中。目前軍事領域和航空領域是應用最多的領域。在歐洲，英國在 VR 開發的分布并行、輔助設備設計方面也是領先的。

歐洲其他一些發達國家也相繼進行 VR 的研究。在研究虛擬現實技術的各個國家中，日本是處于領先的地位，其中對嗅覺領域的開發產生了很大的影響。

與其他一些發達國家相比較，我國的虛擬現實技術研究起步相對晚一些。例如：研究虛擬現實技術的北京航天航空大學，它是最早研究這個技術的。其次“布達拉宮”是由清華大學研究中心所作。

還有哈爾濱工業大學成功模擬出人虛擬合成技術，包括人臉合成、表情和唇部的合成等。除了高等學府對此的研究外，國內一線城市北京、廣州、深圳等地區的科技公司都在應用虛擬現實技術制作出了優秀的產品。

2 虛擬現實關鍵技術

2.1 關鍵技術分類及其研究路線

虛擬現實是多種技術的綜合，其主要研究內容包括以下幾個方面，如圖1所示。

圖1 虛擬現實關鍵技術研究路線

（1）影像制作技術：虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。

（2）人機交互技術：虛擬現實中的人機交互遠遠超出了鍵盤和鼠標的傳統模式，多元感知交互技術成為了重要研究內容，通過對人體器官的不同應用，利用體感、紅外激光、移動設備等用于監測用戶行為動作的設備主觀控制虛擬影像的播放與切換，從而達到體驗者實時感受虛擬環境，提高了環境的渲染逼真度和系統的靈活性。

（3）多元顯投技術：虛擬現實的交互能力依賴與立體顯示和傳感器技術的發展，通過拼接融合圖像完成虛擬影像自動適應物體表面，針對不規則的表面物體，利用位置定位和視線追蹤技術捕捉體驗者動作信息，從而反饋給系統。

2.2 關鍵技術研究的問題和解決策略

在虛擬現實技術的虛擬影像制作開發中，由于虛擬環境中的模型、材質、貼圖等的復雜性，導致渲染時間長，項目時間的難以把控，同時在人機交互過程中，應用的輸入、輸出設備的限制性，以及每個體驗者的不同體態特征，導致交互設備無法達到每一個體驗者的最佳舒適度，以此帶來的眩暈感將會是解決的一個難題。在場館里虛擬現實技術應用的多樣性，也會導致系統集成兼容性降低。針對上述系統研究過程中所面臨的難點，提出以下三種解決方式。

（1）提出三維環境結構自動高精還原技術，快速完成三維環境構建，提高還原效率。

（2）實時人機交互技術：通過多個感官通道模擬逼真實世界，迅速為用戶提供實時的眼、耳、身體所能感受到的感受信息。

（3）開展3D打印和設備自主設計，提高硬件設備的重新開發技術和系統集成技術。

系統并行處理圖像數量大于5張；

系統平均處理每幀圖像的時間小于1秒；

三維場景還原中，能夠得到亞像素級的圖像采樣點準確度和0.5個條紋寬度的圖像采樣點密度；

在三維模型自動還原中，物體的材質分辨率大于1024*1024；

在虛擬場景渲染中，系統所采用渲染幀率大于30幀/秒；

在人機交互過程中，為了更廣闊的視野和更高的分辨率，最佳的虛擬現實沉浸式視野136°和2560*1440像素的顯示器，更能給用戶帶來滿足感。

3 虛擬現實關鍵技術的應用領域

通過影像制作技術、人機交互技術、多元顯投技術和智能管控技術開發研究相關領域的虛擬現實交互產品等。主要分布在新媒體交互式教育類、特色創意文化旅游類、大數據可視化健康服務類。

以上述關鍵性技術為支撐，研發三大領域的交互性產品，如特種影院的3D電影、兒童科普體驗中心的科普教育項目地理沙箱、人體異型投影、腦圖譜異型投影、繪畫動物園、觸控魚等；全息投影、體感面具、建筑投影、移動增強現實、大型增強現實等。

4 結束語

本文從虛擬現實技術出發，闡明了虛擬現實關鍵技術的研究系統和關鍵突破點，有效提高了用戶體驗滿意度。通過三維仿真技術實現環境和物體的還原，利用投影儀或顯示器等方式實現人機交互功能，并依據系統集成平臺將各種體驗設備相連接，實現一體化設備管理。該研究成果已經應用到了實際項目研究中，充分驗證了其正確性，具有一定的研究和實用價值。