計算機虛擬現實技術的關鍵點及其應用研究

劉 煒

(廣州番禺職業技術學院，廣東 廣州 511483)

0 引言

現代信息技術和科學技術的深入發展，人們的日常生活和工作對計算機和信息化的依賴程度越來越強，“互聯網+”發展時期，人們接受信息的渠道主要是網絡、廣播電視、媒體廣告等途徑，傳遞到用戶側的這些信息多是經過加工后形成的抽象的信息，受信息環境和認知等因素的影響，用戶無法真正理解信息中的意思，而借助虛擬現實技術，可以更好地實現人與計算機的交互。用戶可以借助計算機設備等進入由計算機創建的虛擬化環境，并在虛擬環境中獲取真實的情感體驗，了解很多現實生活中無法獲取的信息，通過計算機營造的虛擬世界，更好地理解和掌握相關知識和信息，為社會經濟建設發揮更大的助力作用。

1 計算機虛擬現實技術概述

虛擬現實技術簡稱VR技術，也被稱之為臨境技術，主要是借助計算機等設備，打造三維立體化的虛擬世界，具有沉浸式、交互式、實時性等特征。借助計算機技術，實現人機界面交互并能形成虛擬的圖像，給用戶帶來相對逼真的真實世界的體驗感。在當前技術的應用中，虛擬現實技術與計算機圖形技術結合，能幫助人們了解計算機性能，更好地支持技術的發展和應用[1]。計算機虛擬現實技術在應用中與圖形學、仿真技術、多媒體、人工智能及傳感器等技術結合發展，結合計算機特性，給用戶帶來視覺、聽覺和觸覺等多方面的真實感受，讓用戶沉浸在計算機三維立體虛擬世界。同時，該系統還能識別用戶的肢體動作和語言，對用戶的行為動作進行分析，并借助計算機與人類實時的交互，創造出真實感較強的多維信息空間，能打破時間和空間等因素的限制，讓用戶在三維虛擬的世界中體驗真實世界無法感受的經歷。

2 計算機虛擬現實技術關鍵點分析

計算機虛擬現實技術，主要是借助計算機模擬器模擬出與真實世界相似和相近的三維立體空間，讓用戶無法辨別環境是真實存在的還是虛擬假設的，且通過對用戶語言、手勢的數據信息的收集、分析，提升用戶的體驗感[2]。技術具體應用中的關鍵點主要包括以下幾個方面。

2.1 實物虛化

虛擬現實技術的實現，實物虛化技術是基礎所在，該技術主要通過計算機對現實環境信息的轉化，構建虛擬環境。

(1)構建模型。要推進虛擬現實技術的運用，首先，必須建構虛擬的環境，借助計算機技術進行建模[3]。一種是真實場景的建模，另一種是虛擬場景的建模，在真實場景構建中，先要采集現實環境中真實完整的信息，虛擬場景建模需要以真實的場景為基礎，并結合實際的環境要求，獲取對應的數據信息，并根據數據信息建立模型，這是虛擬現實得以實現的基礎。其次，虛擬環境的構建過程中，需要考慮空間、元素等，形成三維效果圖，并借助計算機遙感技術等，添加對應的照片，提升虛擬場景的真實性效果，在此過程中需要注意盡量保留現實生活中的物理元素，例如模擬對象的力度和材料等，讓用戶在接觸實物和環境體驗過程中，獲得更加真實的感受，也可以設計添加一些相對不可控的元素，如環境、天氣等因素，使得用戶在虛擬現實技術打造的環境中有更強的體驗感。

(2)空間追蹤。虛擬現實技術在人們的日常工作和生活中應用比較廣泛，如VR游戲體驗，體驗者通過佩戴游戲頭盔等，實現人機交互，完成系統要求的動作，進入虛擬環境，在此過程中，頭盔等儀器設備可以看作是信息傳感器，借此實現人與虛擬環境的聯系[4]。儀器設備包括光學設備、機械設備等，主要是由發射器及接收器等構成，通過儀器可以控制虛擬世界，或者是完成運動。例如，虛擬現實手套可以對現實生活中拿東西的狀態進行真實的模擬，在技術實現過程中，需要掌握用戶的數據信息，讓技術應用更加真實。

(3)視聽追蹤。視覺和聽覺是基礎的感官體驗，虛擬現實技術應用中，計算機視聽跟蹤系統的原理主要是在平面陣列中運用視頻攝像機，確保跟蹤光投射到平面上。隨著時間的變化，影像也會隨之發生變化，通過此操作明確對象的具體位置。虛擬環境構造中，精確度起著至關重要的作用，會影響到用戶的直接體驗和感受。因此，在視聽追蹤的研究過程中，需要考慮具體的操作范圍，若單一的傳感器追蹤效果不顯著，可以使用多傳感器來提升技術的精確度，但具體需要綜合考慮操作難易度、系統成本等因素。

2.2 虛物實化

人們可以清晰地感受到現實世界事物的變化，借助計算機構建虛擬世界，為了提升用戶的真實體驗感，需要在虛擬的現實中融入真實的場景，并通過設備反饋給用戶[5]。

(1)視覺感知。實物虛化的過程中，用戶可以體驗到物體對象顏色的變化，顏色是一種視覺感知，用戶體驗中借助頭盔、虛擬現實技術眼鏡等設備，如直視型、投影等，具體可以根據實際需求選擇設備。虛擬現實技術中，立體現實技術比較常見，用戶在觀察事物時，存在視覺差，先將所看到的存在視覺差的兩幅圖傳遞給大腦，經過大腦反饋后得到真實的視覺體驗，這也同樣適用于虛擬現實中，立體現實技術需要先處理呈現的影像，然后再反饋給用戶，通過一系列的操作提升用戶的實際體驗效果。

(2)聽覺感知。用戶要融入虛擬環境，還需要加入聽覺元素，補充視覺體驗中的不足。聽覺是虛擬世界必備的元素，聲音十分重要，如一些恐怖游戲和影視創作中，聲音渲染和烘托氛圍比視覺更加重要。聲音效果制作中，主要是借助ITD定位，計算聲音傳到用戶耳朵的時間差。應用這種方法也存在缺陷，即無法實現單耳定位，現階段很多會使用相關傳遞函數描述聲音。如常見的HRTF聲音計算法，主要是根據濾波原理，對耳廓音效進行模擬，最終實現單耳定位[6]。

(3)觸覺感知。觸覺感知更能體現虛擬現實環境的沉浸感，如虛擬駕駛中，通過方向的轉動讓用戶感受身體左右晃動，虛擬在沙漠中行走，涉及的觸覺感官更多，用戶會感受到相對比較吃力，觸碰到某些物體時也會有相應的身體反應。觸覺感知應用中包括氣壓式、神經肌肉模擬等方法。

2.3 技術實現基礎

為更好地實現和應用計算機虛擬現實技術，首先要捕捉意圖，也就是通過計算機了解用戶的需求和想法，輸入對應點信息，提升計算機捕捉技術水平，得出對應的設計方案。其次是人物和環境的捕捉，包括人物的五官、外貌等感知，在感知的基礎上提供對應的信息。在此基礎上，通過環境捕捉和渲染，打造真實的場景，在虛擬世界中渲染各類物體。最后是設計水平。為了確保用戶能清晰地表達自己的需求和想法，并能根據計算機系統的提示完成一系列的動作，可以采用為用戶提供線索信息等方式，采用敘事性的方式，激發用戶的興趣。因此，必須提升虛擬環境設計的水平[7]。

2.4 關鍵技術的實現形式

(1)動態環境建模。為滿足虛擬環境現實需要，通過數據分析，在虛擬世界模擬場景，并借助CAD技術、建模技術等完成數據獲取，最終形成更加全面完整的數據體系。(2)3D圖形生成。借助計算機信息系統，在多年實踐經驗積累中，能實時根據需求形成所需要的圖形，技術應用中要確保圖形刷新頻率為30幀，且需要圖形清晰完整，質量符合要求，近年來隨著虛擬現實技術研究的深入，刷新速度也越來越快[8]。(3)顯示器和傳感技術。需要了解三維顯示器等圖像、分辨率技術要求，并對設備的靈敏度、設備傳輸的范圍進行不斷調整和優化。

3 計算機虛擬現實技術的應用分析

隨著現階段信息技術的不斷推進，計算機虛擬現實技術在多個領域得到了很大程度的應用，并取得了一定的效果，主要體現在產品設計、醫學發展、商業發展等領域。

3.1 產品設計中的應用分析

虛擬現實技術能控制產品設計的成本，優化流程，從而提升效率。具體來講，首先，借助計算機虛擬現實技術，產品設計流程更加簡化。傳統的產品設計和生產過程比較復雜，存在很多不確定的因素，而通過虛擬現實技術進行設計，過程相對簡單，用戶提出具體需求，通過VR模擬體驗后給出產品優化的具體建議，從而簡化設計流程，提升設計的效率。其次，虛擬現實技術進行產品設計，用戶可以不受外界環境的干擾，在非主觀引導的虛擬環境中真實地感受產品及其功能，有助于減少產品宣傳等支出。最后，可以改變原有的設計結構固化的模式，給用戶提前帶來體驗和感受，用戶可以在產品未生產之前了解具體的設計和應用效果，且用戶直接參與設計過程，反饋自身的真實體驗和感受，也能減少反復修改圖紙等過程。

計算機虛擬現實技術在產品設計和生產線中的應用，具體體現在以下4個方面。(1)仿真管理。主要是虛擬現實人機交互，通過數據指令的傳輸，系統借此模塊向用戶傳達指令，在虛擬環境創建和維護中有重要的作用，通過參數設計提升交互系統的適用性，并對參數進行修正優化，提升環境的穩定性。(2)任務管理模塊。對產品設計和生產線進行管理控制，確保虛擬作業的真實性。(3)引擎模塊。主要是對生產設計進行實時監測，及時獲取實際生產中系統模塊的故障問題，并模擬生產和設計中的問題，為后續的生產奠定基礎。(4)可選模塊。根據實際產品設計和生產實際需要，可以添加價格、評比等模塊，對不同設計理念和方案進行比較，最終選出實用性最強、成本較低的方案。

3.2 醫療發展中的應用

(1)計算機虛擬現實技術在手術中的具體應用。現實虛擬技術交互性系統，可以對手術環境進行仿真，醫護人員在虛擬的環境中模擬練習，提前熟悉手術流程，并可以還原手術現場、患者的臨床特點等，讓醫務工作者可以提前做好準備工作，預先演練，減少后續手術中的失誤，提升手術的成功率。此外，還能結合不同手術及要求，對具體情況進行多次練習，提前做好防范，對手術失敗后續的搶救及其他操作進行提前設計。

(2)在患者康復治療中的應用。患者在手術完成后，可能存在肢體無法正常運動等問題，無法進行正常的訓練，部分患者無法發力等，會失去康復的信心。虛擬現實技術的應用，能有效解決這些問題，為患者提供虛擬的場景，患者可以先進行輕微的動作訓練，逐漸達到日常運動中的效果。例如進行輕輕抬腳的動作練習，在虛擬環境中則看到自己的跑步運動，從而給患者帶來康復信心，并在訓練達到一定水平后通過參數調節，逐步提升患者的運動量，最終達到康復效果。此外，借助計算機虛擬現實環境，能為患者營造康復治療的特定環境，避免患者和周圍人的密切接觸，轉移患者的注意力，通過不同康復環境的設計，為患者帶來積極的心理因素。整體來講，虛擬現實技術在現代醫療事業中，在環境仿真和康復治療中發揮積極作用，具體使用過程，如圖1所示。

圖1 虛擬現實技術在康復醫療中的應用

3.3 商業領域的應用

現階段網絡購物改變了人們傳統的購物和消費習慣，具有經濟性和便捷性等特點。近年來網絡購物時效性等得到了很大程度的提升，但受網頁技術的影響，網上購物多是以圖片文字展示商品具體信息，消費者通過這些圖文難以全面掌握產品的全面信息，且圖文瀏覽顯得煩瑣枯燥。而虛擬現實技術的應用，可以創建與用戶互動交互的虛擬超市，讓消費者仿佛置身在真實的三維購物環境中，使得網絡購物真實、有趣。計算機虛擬現實技術的應用，結合了傳統購物和網上購物的優勢，能給用戶帶來全新的購物體驗。

除此之外，計算機虛擬現實技術在教育教學、科學研究及航空工業等領域的發展中都產生了重要的作用。

4 結語

綜上所述，虛擬現實技術作為高新技術，通過計算機創建三維動態化的虛擬環境，實現人機交互，給用戶帶來真實的體驗。隨著科技的發展，虛擬現實技術的發展前景更加廣闊，要加強對虛擬現實技術及其實際應用的研究，更好地推動技術革新和社會發展。