基于VR眼鏡和智能手機的虛擬現實應用系統

蘇州農業職業技術學院 刁玉琦

虛擬現實技術作為先進的人機交互技術，在當前已經得到了較好的應用，可通過結合計算機圖形技術與視覺技術，為用戶帶來渲染后的虛擬場景，以此提升用戶的虛擬現實的體驗感。但根據目前的技術發展水平來看，虛擬現實技術成本較高，難以滿足消費者的多元化的體驗消費。因此，本文概述了虛擬現實技術的理論內涵，探討了基于VR眼鏡與智能手機的虛擬現實系統的設計，引入藍牙手柄的硬件，以此來拓展虛擬現實技術的應用，通過描述虛擬設備的實現方式，最終為用戶提供沉浸感的EAST裝置，實現了虛擬現實漫游應用。

1 研究背景

1.1 文獻綜述

在現實生活中，虛擬現實技術（VR）已經得到了較快的應用，該技術的特點在于多感知性、成長感、交互性和自主性，現階段已經被廣泛用于游戲、教育、醫療、設計、軍事等領域，針對于這種新型技術，許多學者開始了廣泛的研究。伴隨信息技術的不斷發展，虛擬現實技術正逐步走入教學環境中，解決了當前高校教學中存在的教學方式單一、資源貧乏等問題[1]。這對于改善枯燥的教學模式、豐富教學資源、增加學生在虛擬環境中的體驗感具有十分重要的作用。現階段，學生只有通過真實的體驗融入教學活動，才可以通過自我導向的方式，實現自主學習，進而提高自我控制能力。在航空工業方面，自2014年開始，現有的視聽接觸優勢技術為虛擬技術提供了全方位的物質基礎。當前，已經應用于飛機概念座艙設計中，開發了沉浸式座艙系統。由此有效推動“數字模型-船體模型-評估-迭代數字模型”的轉換，極大地加快了迭代設計速度，降低了研制成本[2]。上述研究是從VR技術的應用角度來探討的，但在設計過程中，需要借助移動設備與VR設備進行互聯互通，提高該技術的不斷升級。

1.2 研究目的

伴隨虛擬現實技術的不斷發展，在許多領域已經成為了研究熱點問題。在此基礎上，虛擬現實的相關設備也在不斷更新、精簡。如何利用智能手機連接VR眼鏡，進行虛擬現實應用系統的設計，是本文所要研究的關鍵點。現階段，VR技術雖已經在社會生活中得到了應用，但因其體驗價格高、消費貴等劣勢，難以在實際生活中大力推廣。因此，采用智能手機，結合VR虛擬技術，建立虛擬現實應用系統，具有重要的現實意義。

2 虛擬現實的關鍵技術和基礎設備

2.1 虛擬現實的關鍵技術的理論分析

所謂虛擬技術，是在計算機上生成一個三維空間，并利用該空間，為使用者提供了視覺、聽覺、觸覺等感官的虛擬感覺，讓其仿佛身臨其境的一種新型技術。VR發展史可以分為4個階段：在1963年以前，是一種有聲形動態的模擬；1963—1972年之間，處于虛擬現實萌芽階段；在1973—1989年之間，虛擬現實概念的產生和理論形成；1990—2004年之間，虛擬現實技術理論進一步的完善和應用；2004年至今，VR技術仍處于不斷發展的階段。在當前的發展新時期，VR技術應用于現實系統中，就需要解決自動定位、自動校準、三維測量與定位、信息編碼與解碼等技術，通過將實物與技術進行特征結構化，可以再現真實的現實場景。

2.2 當前虛擬現實主流設備分類

現階段，VR技術的升級加快了虛擬現實設備的更新換代的速度。從傳統笨重的機器，向更輕便的穿戴設備轉變，并且一直向輕便、舒適的領域延伸[3]。新時代以來越來越多的大型IT企業已經開始進行虛擬現實領域的研究，并且不斷地研究出虛擬現實硬件設備。例如，OCULUS VR公司推出穿戴設備Oculus Rifd DK系列，已經受到了人們的廣泛關注；索尼公司展出PlayStation4游戲配合使用的頭戴設備Project Morpheus，為游戲愛好者提供了新的體驗。谷歌、暴風科技等公司，也相繼推出科技設備。但本文主要介紹當前主流的虛擬現實設備，包括索尼Project Morpheus、Oculus Rifd、Google Cardboard、VR眼鏡等，具體內容效果如表1所示。

表1 各類虛擬技術設備的功能效果對比Tab.1 Function effect comparison of various virtual technology devices

綜合來說，VR眼鏡具有簡單易用、適配手機型號更廣，而且價格較為便宜等優勢，可以讓更多人體驗到VR技術并且了解其基本原理，這也是為什么本篇文章選用VR眼鏡來作為構建虛擬現實系統的硬件基礎設備的原因。

3 基于VR眼鏡和智能手機的虛擬現實應用開發

虛擬現實技術在當前社會中得到了快速發展，促進虛擬現實應用的不斷推陳出新，再加上虛擬現實設備的更新速度也在加快，使得虛擬體驗門檻越來越低。為此，在本次實驗中將VR眼鏡與智能手機相結合，搭建虛擬現實系統。一般而言，在虛擬現實方向中，VR眼鏡的體驗功能尚未被完全開發，而借助智能手機、藍牙手柄等設備，可以讓用戶更加真實、廉價體驗虛擬現實技術。

3.1 硬件開發

VR眼鏡本身不進行任何的計算，所有計算和顯示都是借助智能手機來完成的。近年來，MEMS傳感技術的不斷發展，使得虛擬技術頭部追蹤技術都在應用該技術，許多智能手機也內置了MEMS傳感器，例如陀螺儀等[4]。這為VR眼鏡配合智能手機來實現虛擬現實技術提供了必要條件。為此，通過陀螺儀技術，實現人機虛擬世界的交互。

目前，在手機中，陀螺儀和加速度計構造相同，兩者都是由三軸組成的，可檢測手機的角速度。在其內部的驅動下，振動金屬片，使得手機在旋轉時，振動部件可以沿著X、Y、Z三方向扭曲，隨后通過角速度傳感給手機可以認知的信號。

3.2 軟件開發

用戶沉浸式的強弱與軟件的質量息息相關，因此，如何結合虛擬技術的相關理論基礎，以及關聯的技術對軟件進行開發，成為本文研究的重要方向[5]。在此推薦利用渲染引擎Unity3D作為虛擬現實軟件開發的方法。

作為一個綜合開發環境，Unity3D集成最大的特點是層級式發展，能夠以Visual的形式進行編輯，并且該軟件可以把動態屬性和其相關聯的內容進行預覽，為使用者提供更好的工作方式。目前，Unity3D構成程序的基本單元為初步的場景（Scene），而多個場景又組合成了一個初級的Unity3D程序。另外，單個場景又由多個對象（GameObject）來組成，并細分為腳本（Script）。同時，為了方便開發者對圖像進行多樣化的處理工作，需要利用Direct3D、OpenGL以及APIs等技術，不斷導入相關資源。在此方面，最為常見的格式為OBJ、3DS等。除此之外，Unity3D技術又內置了NVIDIA強大的物理引擎，因此可充分滿足多個平臺開發的需要。

3.3 基于Unity3D的虛擬現實系統的軟件開發

在虛擬現實應用軟件中，最為關鍵的一個技術，就是搭建虛擬的人工環境，并將該環境通過立體的形式傳遞給用戶，使之融入沉浸感中。由于雙目存在視差是人眼立體感覺形成的最重要因素，因此我們采用視差原理，運用Unity3D引擎建立立體的視覺。此時設置具體的軟件系統，具體如下所示：

（1）Scene視圖作為虛擬世界，存放虛擬物體；

（2）Main Camera主攝像機，作為一個虛擬攝像機，運行Game視圖。

此時假設：將虛擬攝像機作為觀測該虛擬世界的“眼睛”，我們在虛擬世界中放置一個球體，且觀測視角為球體的正視方向，我們可以通過以下方式來實現：

（1）在場景（Scene）中建正方體（Cube），把它定位在空間坐標為(0,0,0)的位置，

（2）將主攝像機（Main Camera）放置到(0,0,-2)位置，保證與正方體有2個單位的距離，使正方體處于主攝像機的視野范圍內。

從中可以看出，虛擬攝像機照射范圍在2個單位內。

（3）我們打開攝像機Camera1，同時關閉攝像機Camera2，代碼如下：

最終效果，我們可以看到左邊的平面是綠色，而看不到右邊的藍色，視角將接近左邊的球體。

3.4 應用范例

3.4.1 藍牙手柄與虛擬環境的互動

通過先進的藍牙技術，將其與智能手機建立連接。打開藍牙手柄，通過藍牙功能收到藍牙信號，并建立配對關系。連接成功后，在Unity3D引擎中輸入信號，使得內容Inputmanager進行相應配對，讀寫、編寫不同的響應事件。

3.4.2 EAST裝置內部的虛擬現實漫游

從現實情況來看，East裝置有著較高的高度，外部直徑為8m，重量為400t。需要在超強電磁場、超真空等苛刻條件中工作，能夠建立十分嚴格的標準條件。在停止裝置工作之前，人們無法得知內部的具體情況，所以有必要對這些裝置結合VR技術來開發，能夠在不進入內部的情況下了解具體的發生情況，以此作出對應的處理。

4 結論

綜上所述，虛擬現實技術在當前社會中的應用越加廣泛，成為學術界中討論的一個熱點。伴隨虛擬技術的不斷成熟，虛擬設備也在不斷豐富與創新。這就使得人們與虛擬現實之間的距離更加接近，特別是VR頭戴式顯示設備封閉人外界的視聽感覺，引導用戶處于一種虛擬環境中的感覺。該技術的原理在于，通過左右眼屏幕分別顯示圖像，使得人眼有了較大差異，從而將信息導入大腦，使之產生巨大的立體感。但同時，這種體驗感覺造價較高，普通消費者難以承受這類消費。為此，通過將VR眼鏡與智能手機連接，使得用戶在廉價體驗的同時，得到更好的應用。

引用

[1]ZHANG M W B,HO R C M.Smartphone Applications for Immersive Virtual Reality Therapy for Internet Addiction and Internet Gaming Disorder[J].Technology & Health Care,2016,25(2):367-372.

[2]SUN G C,CHEN X L,HOU Y Z,et al.Image-guided Endoscopic Surgery for Spontaneous Supratentorial Intracerebral Hematoma[J]. Journal of Neurosurgery,2016,127(3):537.

[3]OZDALGA E,OZDALGA A,AHUJA N.The Smartphone in Medicine:A Review of Current and Potential Use Among Physicians and Students [J].Journal of Medical Internet Research,2012,14(5): 128.

[4]HUANG J,ETZIONI O,ZETTLEMOYER L,et al.RevMiner:An Extractive Interface for Navigating Reviews on a Smartphone[J].Uist12 Proceedings of Annual Acm Symposium on User Interface Software & Technology,2013,44(1):3-12.

[5]LAURILA J K,GATICA-PEREZ D,AAD I,et al.From Big Smartphone Data to Worldwide Research:The Mobile Data Challenge[J]. Pervasive & Mobile Computing,2013,9(6):752-771.