VR工作機理與關鍵技術分析

黃煦桐

摘 要 文章論述了虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）的工作機理和關鍵技術，對虛擬現實基本構成、特征和技術概念進行科學的介紹，簡單說明了虛擬現實所涉及的關鍵技術，并進行分析，得出結論。

關鍵詞 VR；虛擬現實；工作機理；關鍵技術

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）222-0122-02

虛擬現實技術（簡稱VR）是將人工智能，計算機圖形技術，跟蹤技術，顯示技術等前沿技術集成在一起的綜合模擬系統。虛擬現實主要是模擬一個三維空間的虛擬世界，讓參與者在視覺聽覺等感知方面身臨其境，沉浸在里面。虛擬現實已經成為我國科技發展的趨勢，如果說90年代是網絡多媒體時代，那么21世紀就將是VR技術的年代。下面將對虛擬現實的工作機理和關鍵技術進行分析。

1 VR工作機理分析

1.1 VR技術概念

VR是一門是由多種技術集合而成的前沿學科，包括多媒體技術，網絡技術等多個復雜技術，極富挑戰性和創造力。參與者通過特制的傳感器，在視覺、聽覺、觸覺等感知系統的方面達到模擬真實的效果，形成一種虛擬世界。參與者依照自己的需要，在虛擬世界中進行操作，從而使自己沉浸在其中，到達人機交互的效果。縱使這周圍的環境并不真實存在，但仿真的三維世界可以使參與者身臨其境。

1.2 VR構成要素

從文獻調研來看，傳感設備、感知、自然技能與計算機的模擬環境是構成虛擬現實技術的基本構成要素。

VR中的傳感設備是指三維交互設備。三維交互設備包括參與者身上穿戴的設備，比如數據手套、數據衣、雙目全方位顯示器等。還有設置于現實環境中的傳感設備，比如CAVE洞穴式虛擬現實顯示系統，紅外跟蹤器等。

VR中的感知是指在理想的環境中具有人的感知功能，這通過包括由計算機圖形帶來的視覺，還包括環境中的聽覺、觸覺等。隨著多感知技術的發展，人們對嗅覺和味覺技術追求日趨強烈。但就目前的技術水平來說，因為受到傳感裝置的限制，能夠具有的感知功能僅僅限于視覺、聽覺、觸覺、運動等簡單的感覺，在嗅覺、味覺等復雜的方面還正在進一步的研究中。

VR中的自然技能是指人體動作，如頭部轉動、眼球運動、手部動作等，由計算機來感知人體技能并處理動作產生的對應數據，通過系統反饋對用人體技能所產生的輸入信息做出實時響應，讓虛擬現實應用者有一種身臨其境的感覺，甚至在虛擬世界參與活動的過程中還可以與其他參與者進行溝通交流。

VR中的模擬環境是由計算機生成并模擬的三維立體圖像，需要逼真到視覺、聽覺、嗅覺和觸覺等的三維效果。生成的三維立體圖像可以來自于真實世界的圖像，也可以來自于自己想象的世界。

1.3 VR工作過程

VR的工作過程簡單來說可以分為以下三步：

第一步，運動的跟蹤。例如為了顯示精確的畫面，在你環顧你的四周時，顯示頭盔必須以亞毫米級的精度跟蹤你的頭部運動。這是通過各種內置傳感器來實現的。有了這些傳感器提供的各種數據，顯示頭盔就可以跟隨頭部做出的任何運動。

第二步，全息投影。在已有的現實場景中建造一個新的環境，通過計算機成像技術把一些虛擬的抽象信息轉換成有形的具體的影像。

第三步，展示。例如在虛擬世界中，當參與者改變自己的位置，處于新位置時，通過改變他所看到的信息，所聽到的聲音，甚至改變他手上的觸覺，例如從堅硬到柔軟，使參與者感知到位置周圍環境的變換。

1.4 VR特征分析

VR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3個最具典型的特征。

1）沉浸性（Immersive）是指借助計算機的輸出逼真的三維圖像，這種虛擬的環境與真實的客觀世界一樣，讓人有種身臨其境的感覺。

2）交互性（Interactive）是指基于計算機生成的虛擬環境下，充分借助一些傳感設備進行相互交互，讓人感覺就像是在客觀世界一樣，這也是虛擬現實系統最為至關重要的特征。過去的人們通過鼠標鍵盤進行信息交互，而現在人們可以直接深入計算機所構造的虛擬世界中與計算機進行交互。

3）想象性（imaginative）是基于計算機產生的虛擬環境和交互作用下，可以自發地獲取新知識，這樣不僅有助于提高感性認識，對人們的理性認識和主觀能動性也有一定提高，從而深化相關概念并可以萌發新的思想，因而可以說，虛擬現實人的創造性思維是具有啟發性作用的。

2 VR關鍵技術分析

2.1 動態建模技術

動態建模技術是虛擬現實技術的核心，其主要是針對現實環境或想象模擬環境進行計算機模擬實現，其最終目的就是借助計算機強大的數據處理能力將真實客觀環境和虛擬環境數據，轉化為三維立體虛擬環境。基于建模技術建立的虛擬環境雖然需要極大的內存，但是便于操作和人機交互。目前的建模技術包括幾何建模、行為建模和物理建模。

2.2 計算機圖形技術

計算機圖形技術是一種借助強大的數學算法將傳統的二維/三維圖形轉化為能顯示的格式的科學。簡單地說，計算機圖形技術就是用計算機生成、顯示、繪制圖形的技術。計算機圖形技術是虛擬現實系統的基礎，例如在模擬飛行過程中，對于圖像的生成和更新十分依賴，對于圖像的清晰度要求更高，這些都要依靠計算機圖形技術實現。

2.3 立體顯示技術

虛擬現實技術的目的就是展示三維立體世界，該技術的本質是利用眼睛對立體視覺差產生的綜合神經反射，通過光學技術為眼睛提供兩幅具有特定位差的圖像，這樣人們便可以在視覺和心理的反應等角度產生三維立體感覺。在虛擬現實技術中，正是利用該視覺差原理，將兩副具有特定位差的圖像借助顯示器分別呈現給人們的左眼和右眼，因此便能獲得實際的3D感覺體驗。參與者的兩只眼睛看到的圖像是通過立體顯示技術呈現在虛擬現實的眼鏡上，通過特定的技術，使得兩只眼睛都只能看到奇（偶）數幀的圖像，因而產生了立體感。立體顯示主要有以下幾種方式：雙色眼鏡、主動立體顯示、被動同步的立體投影設備、立體顯示器等高級設備。

2.4 視覺跟蹤技術

視覺跟蹤技術是借助計算機技術對運動目標進行特征檢測、特征提取、運動識別和運動跟蹤，進而通過算法獲得運動參數。在獲取運動參數之后，視覺跟蹤技術便可在虛擬現實技術的綜合作用下進行下一步的處理與分析，實現對運動目標行為的理解與解析，以完成后續更高層次的跟蹤任務。在虛擬世界中，每個物體都有自己的位置，而參與者也有自己的位置。參與者所面對的景象就是通過追蹤參與者的頭部的方向來確定的。

2.5 多感知技術

多感知技術包括手勢控制、語音命令、眼球追蹤和面部識別等。其中發展成熟的有語音命令、面部識別和接觸式手勢控制，且均已得到了廣泛應用，而眼球運動追蹤和非接觸式手勢控制技術近些年也得到了虛擬現實技術的關注。例如在虛擬現實的系統里，參與者要抓取面前的蘋果，如果沒有感知技術（在體驗手套里安裝可以振動的觸點來模擬觸感），那么參與者的手就會穿過蘋果，這在現實生活中是不存在的。

2.6 語音輸入輸出技術

語音輸入輸出技術是指將人的語音信息直接輸入和輸出虛擬世界與真實世界，參與者通過語音技術在虛擬環境中也能同其他參與者自由交流。在現實生活中，聲音傳來的方向根據頭部的轉動而改變。但目前在虛擬現實系統中，聲音的方向與參與者頭部的轉動沒有關系。語音識別技術是我國的發展技術語音識別技術所涉及的領域包括：信號處理、模式識別、人工智能等。

3 結論

虛擬現實技術是一種人機交互技術，它將成為下一代人機交互技術發展的趨勢。隨著科學技術的發展與進步，虛擬現實技術將走向成熟和變得有藝術性。相信在不久的將來，虛擬現實技術將在人們的日常生活中普及，給人們提供便利，成為一種全新的信息處理技術。

參考文獻

[1]趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學（信息科學），2009，39（1）：2.

[2]曾建超，俞志和.虛擬現實的技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1996（12）：1-6.

[3]萬波.虛擬現實關鍵技術分析及其應用綜述[J].高等繼續教育學報，2000（2）：52-54.

[4]黃巖.虛擬現實及其關鍵技術[J].信息與電腦（理論版），2016（16）：53-54.

[5]馬學強.虛擬現實的關鍵技術研究與實現[D].青島：山東科技大學，2003.