虛擬現(xiàn)實(shí)組成及關(guān)鍵技術(shù)淺析

胡章榮 西華師范大學(xué)教育信息技術(shù)中心

1 虛擬現(xiàn)實(shí)概念

VR技術(shù)，又稱虛擬實(shí)境或靈境技術(shù)，它以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主，融合多種技術(shù)來產(chǎn)生的逼真的虛擬世界，并通過傳感器、虛擬仿真、伺候服務(wù)、3D顯示、多媒體等多種復(fù)雜技術(shù)來營造視覺、觸覺、嗅覺等多種感官體驗(yàn)，使處于虛擬世界中的人產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)的組成

典型的 VR 系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入輸出設(shè)備、用戶和數(shù)據(jù)庫等組成。

計(jì)算機(jī)是VR系統(tǒng)的心臟，主要用于虛擬環(huán)境的生成和與用戶的交互，由虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜性，在建模和實(shí)時(shí)交互中需要進(jìn)行大量的計(jì)算，因此生成VR的計(jì)算必須具有較高的配置。輸入輸出設(shè)備是信息交互的接口，在VR中采用特殊設(shè)備將用戶的交互信息輸入系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)做出響應(yīng)。常用的方式是數(shù)據(jù)手套和頭盔式顯示器，頭盔式顯示器中的空間位置跟蹤定位設(shè)備既能感知運(yùn)動(dòng)物體的位置及旋轉(zhuǎn)方向的變化，也能檢測到自己在環(huán)境中的位置，從而計(jì)算物體大小、形狀、位置等各個(gè)參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)建立物體模型。在VR系統(tǒng)中，物體的模型包括幾何模型、物理模型、行為模型三種，每種模型都是對(duì)物體不同側(cè)面的仿真。軟件系統(tǒng)除了對(duì)物體模型的建立外，還要將聲音進(jìn)行渲染生成三維立體聲，并將環(huán)境中的各種軟件和模型的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫。

3 擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)的目的是用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建虛擬空間，用戶能與之進(jìn)行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等全方位交互。要實(shí)現(xiàn)這種目的，除了需要有一些特殊的硬件設(shè)備，還必須通過其他相關(guān)技術(shù)及軟件加以保證。如要隨視角移動(dòng)實(shí)時(shí)顯示變化場景的3D圖像，僅靠設(shè)備是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還應(yīng)有相應(yīng)的壓縮算法等技術(shù)相支持，由此可見，要實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的功能，不僅需要強(qiáng)大的硬件系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)的軟件和技術(shù)也提出了較高的要求。

3.1 環(huán)境建模技術(shù)

虛擬環(huán)境是虛擬現(xiàn)實(shí)的核心，只有對(duì)真實(shí)環(huán)境中的物體建立逼真的模型，才能保證VR的可信度。建模的主要目的是獲取真實(shí)物體的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要將三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成虛擬環(huán)境中的模型。與數(shù)學(xué)模型不一樣，虛擬環(huán)境中的模型是對(duì)真實(shí)環(huán)境中事物的反映，具有多樣性、可操作性和個(gè)體行為性等特點(diǎn)，能實(shí)時(shí)與用戶進(jìn)行交互并作出及時(shí)響應(yīng)。目前，虛擬環(huán)境的建模技術(shù)主要是三維視覺建模和三維聽覺建模，三維視覺建模是應(yīng)用最廣泛的建模技術(shù)，它可以分為幾何建模、物理建模、行為建模等。幾何建模技術(shù)用幾何的方法來對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行表示和處理，主要是對(duì)物體圖像結(jié)構(gòu)的描述和對(duì)應(yīng)模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。常用的幾何建模工具除了VR特有的OpenGL、Java3D、VRML等外還有AutoCAD、3DSMAX、Softimage、Pro／E等，用戶可交式地創(chuàng)建某個(gè)對(duì)象的幾何圖形。物理建模技術(shù)主要是為了研究對(duì)象的物理屬性，常用的有分形技術(shù)和粒子系統(tǒng)技術(shù)。上述這兩種建模技術(shù)相結(jié)合讓構(gòu)建的虛擬模型看起來真實(shí)，動(dòng)起來真實(shí)，但要使虛擬環(huán)境更真實(shí)，還必須結(jié)合行為建模技術(shù)，行為建模技術(shù)是對(duì)對(duì)象物理運(yùn)動(dòng)和行為特征的描述。一個(gè)對(duì)象如果沒有行為特征，那么它只是一個(gè)靜態(tài)的模型，沒有任何生命力，對(duì)VR沒有任何意義，也就是說模型不僅要有形狀、大小、顏色等靜態(tài)屬性外，還必須具備動(dòng)態(tài)屬性，能隨著周圍環(huán)境變化或人的操縱行為而發(fā)生符合其本質(zhì)屬性的變化。行為建模技術(shù)主要分為運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真技術(shù)和動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)。

3.2 實(shí)時(shí)三維圖形繪制技術(shù)

實(shí)時(shí)三維圖形繪制技術(shù)指利用計(jì)算機(jī)為用戶提供一個(gè)能從任意視點(diǎn)及方向?qū)崟r(shí)觀察三維場景的手段，它要求當(dāng)用戶的視點(diǎn)改變時(shí)，圖形顯示速度也必須跟上視點(diǎn)的改變速度，否則就會(huì)產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象。要在VR中獲得真實(shí)的沉浸感，就必須在用戶的立體眼鏡或HMD的左右眼顯示器上獲取場景畫面的三維立體像，形成立體視覺；同時(shí)，隨著場景中對(duì)象的移動(dòng)或用戶位置信息的變化及時(shí)顯示不同的視覺畫面。通常在一個(gè)VR環(huán)境中，需要對(duì)成千上萬個(gè)場景進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制和顯示，因此必須采用高性能計(jì)算機(jī)及設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)組織方式才能確保場景的實(shí)時(shí)更新要求。實(shí)時(shí)三維圖形繪制技術(shù)主要分為基于幾何圖形的實(shí)時(shí)繪制技術(shù)（包括預(yù)測計(jì)算、脫機(jī)計(jì)算、場景分塊、可見消隱、細(xì)節(jié)層次技術(shù)等）和基于圖像的實(shí)時(shí)繪制技術(shù)。

3.3 三維虛擬聲音的顯示技術(shù)

三維虛擬聲音系統(tǒng)是指聲音來自于一個(gè)球形空間，人耳通過聲音便能識(shí)別聲音來源的具體位置、聲音的距離等。三維虛擬聲音顯示具有全向三維定位、實(shí)時(shí)三維追蹤、增強(qiáng)沉浸感等特征，能讓處在虛擬環(huán)境中的用戶感覺聲音來自于雙耳周圍的球形空間，并襯托視覺效果判斷出聲源的準(zhǔn)確位置，從而增強(qiáng)了用戶在虛擬世界中的沉浸感和交互性，同時(shí)也可以減少視覺壓力，增強(qiáng)大腦的感應(yīng)強(qiáng)度，讓用戶更具有真實(shí)交互感。當(dāng)前，三維虛擬聲音的顯示技術(shù)的研究主要集中在人類的聽覺模型與頭相關(guān)轉(zhuǎn)移函數(shù)及語音識(shí)別與合成技術(shù)兩個(gè)方面。

3.4 人機(jī)交互與傳感技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)之所以能讓人獲得身臨其境的感受是因?yàn)樵谔摂M環(huán)境中用戶可以直接與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行自然交互，而感覺不到計(jì)算機(jī)的存在。在VR領(lǐng)域中較為常用的交互技術(shù)主要有手勢識(shí)別、面部表情的識(shí)別以及眼動(dòng)跟蹤等。手勢識(shí)別主要借助于數(shù)據(jù)手套和空間定位裝置實(shí)時(shí)跟蹤定位手的動(dòng)態(tài)，包括手的形狀、空間位置、移動(dòng)方向、手指彎曲程度等手勢信息，并根據(jù)這些信息做出相應(yīng)的反映，根據(jù)識(shí)別方式的不同可以分為基于數(shù)據(jù)手套的識(shí)別和基于視覺（圖像）的手語識(shí)別系統(tǒng)兩種。面部表情是表達(dá)人情緒的一種方式，人在與周圍環(huán)境進(jìn)行交互時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不同的面部表情，要讓參與者獲得真實(shí)感，就必須對(duì)人臉的各個(gè)部位，如耳朵、鼻子、眼睛等做出準(zhǔn)確的定位和識(shí)別。根據(jù)對(duì)人臉知識(shí)的利用方式，人臉檢測可以分為基于特征的人臉檢測方法和基于圖像的人臉檢測方法，第一類方法一般通過模式識(shí)別的方式來對(duì)人臉膚色、人臉的幾何結(jié)構(gòu)、人臉大小等特征進(jìn)行模式識(shí)別；第二類方法將人臉檢測問題看做一般的模式識(shí)別問題，直接將待檢測圖像輸入系統(tǒng)，并通算法進(jìn)行訓(xùn)練，然后對(duì)輸入的圖像分為人臉和非人臉兩類，檢測人臉時(shí)將可能的人臉區(qū)域于兩類數(shù)據(jù)做比較，就可以知道檢測區(qū)域是不是為人臉。

總結(jié)：文章首先介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念，分析了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成及系統(tǒng)中各部件的功能，然后對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)及與技術(shù)相關(guān)的虛擬系統(tǒng)硬件設(shè)備進(jìn)行了介紹。