虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字媒體交互中的應(yīng)用

摘" 要：相比于傳統(tǒng)媒體技術(shù)，數(shù)字媒體采用更多的先進(jìn)技術(shù)，是信息量大、操作體驗(yàn)感好、支持用戶更多的主動(dòng)操作。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供良好的體驗(yàn)感、滿意度、實(shí)時(shí)性，對(duì)于數(shù)字媒體技術(shù)交互過(guò)程的改變具有重要的意義。該文首先從硬件角度分析基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字媒體交互采用的設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)設(shè)備、頭盔、手套、手柄、運(yùn)動(dòng)捕捉、模擬駕駛和全息現(xiàn)實(shí)等。其次從軟件角度分析基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字媒體交互的設(shè)計(jì)流程和框架，包括虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)、模擬和交互軟件、內(nèi)容開(kāi)發(fā)工具等軟件環(huán)境的支持等。性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字媒體交互過(guò)程設(shè)計(jì)，最終用戶使用滿意度達(dá)到95%以上，實(shí)時(shí)性提高12%以上。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；數(shù)字媒體；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)；性能測(cè)試

中圖分類號(hào)：TP391.9" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）17-0169-04

Abstract： Compared with the traditional media technology， digital media adopts more advanced technology， which has a large amount of information， a good sense of operation experience， and supports users to operate more actively. Virtual reality technology can provide good sense of experience， satisfaction and real-time， which is of great significance for the change of the interaction process of digital media technology. In this paper， firstly， the devices used in digital media interaction based on virtual reality technology are analyzed from the perspective of hardware， including computer equipment， helmets， gloves， handles， motion capture， analog driving， holographic reality and so on. Secondly， this paper analyzes the design process and framework of digital media interaction based on virtual reality technology from the perspective of software， including the support of software environment such as virtual reality software platform， simulation and interaction software， content development tools and so on. Performance testing results show that the design of digital media interaction process based on virtual reality shows that the satisfaction of end users has reached more than 95%， and the real-time performance has been improved by more than 12%.

Keywords： virtual reality; digital media; hardware design; software design; performance testing

信息的表達(dá)、存儲(chǔ)、交互方式稱為媒體技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)革命的持續(xù)推進(jìn)，人類進(jìn)入數(shù)字信息時(shí)代，媒體技術(shù)也逐漸從傳統(tǒng)媒體過(guò)渡到數(shù)字媒體技術(shù)。數(shù)字技術(shù)對(duì)各種信息都進(jìn)行了數(shù)字化變革，數(shù)字媒體也就形成了包括數(shù)字文本、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像和數(shù)字視頻在內(nèi)的多種類型數(shù)字信息在內(nèi)的龐大信息資源庫(kù)。相比于傳統(tǒng)媒體，數(shù)字媒體中的各種數(shù)字信息資源，信息量更加龐大、存儲(chǔ)更加方便，可以多次重復(fù)利用。從訪問(wèn)方式上看，數(shù)字媒體更加樂(lè)于接受人們的主動(dòng)訪問(wèn)，而不是向傳統(tǒng)媒體那樣將各類信息強(qiáng)制推銷給人們。這樣，人們就可以根據(jù)自己的興趣愛(ài)好、主動(dòng)地選擇媒體資源進(jìn)行訪問(wèn)?？梢哉f(shuō)，數(shù)字媒體的特征本身和訪問(wèn)方式的改變，極大地推動(dòng)了數(shù)字媒體的發(fā)展。從目前的情況看，制約數(shù)字媒體技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要問(wèn)題，就是訪問(wèn)者和媒體端口之間的交互問(wèn)題。如何提升數(shù)字媒體交互過(guò)程中的體驗(yàn)感和實(shí)時(shí)性，已經(jīng)成為數(shù)字媒體技術(shù)未來(lái)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。為此，本文借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，從軟件和硬件角度出發(fā)更好地打造數(shù)字媒體的交互過(guò)程。

1" 虛擬現(xiàn)實(shí)在數(shù)字媒體交互中應(yīng)用的硬件設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)，模擬出一個(gè)虛擬的三維場(chǎng)景，并讓用戶可以通過(guò)特定的設(shè)備進(jìn)行交互的技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)，需要使用特定的硬件設(shè)備，本文將對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行概述。也正是因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)交互過(guò)程的這種逼真模擬，才能讓用戶得到更多的真實(shí)體驗(yàn)感，從而獲得更好的數(shù)字媒體技術(shù)使用好感。

虛擬現(xiàn)實(shí)是對(duì)交互過(guò)程的一種虛擬化，歸根結(jié)底離不開(kāi)計(jì)算機(jī)，所以其最核心的設(shè)備依然是計(jì)算機(jī)。根據(jù)數(shù)字媒體技術(shù)的種類不同，其選擇的計(jì)算機(jī)型號(hào)也不同。如果是大型門(mén)戶網(wǎng)站一類的功能復(fù)雜的數(shù)字媒體交互，其使用的計(jì)算機(jī)應(yīng)為服務(wù)器級(jí)別的高性能計(jì)算機(jī)。如果是可移動(dòng)的小型數(shù)字媒體交互，則可以選擇ARM、DSP一類的以嵌入式處理器為核心單元的微型計(jì)算機(jī)。

除了計(jì)算機(jī)這種核心設(shè)備以外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必須要給數(shù)字媒體交互過(guò)程提供完整的、靈活的視覺(jué)展示功能，這里的典型設(shè)備為全息投影設(shè)備。全息投影設(shè)備是一種新型虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，其使用全息投影技術(shù)將虛擬場(chǎng)景投影到真實(shí)的物體上，給人以身臨其境的感覺(jué)。全息投影設(shè)備通常使用激光或者光學(xué)技術(shù)生成虛擬圖像，并通過(guò)反射或折射將圖像投射到特定的物體或者空間中。除了全息投影設(shè)備以外，讓用戶獲得真實(shí)完整的體驗(yàn)感，具有更加重要的意義。因此，頭盔、手柄、手套、運(yùn)動(dòng)捕捉和模擬駕駛等設(shè)備也是非常關(guān)鍵的，在數(shù)字媒體交互過(guò)程的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中也被廣泛使用。

頭戴式顯示器是最常見(jiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備之一，其以頭戴的方式將顯示器和一些傳感器組合起來(lái)。通過(guò)頭戴式顯示器，用戶可以將視覺(jué)重點(diǎn)放在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，從而增強(qiáng)沉浸感。頭戴式顯示器通常由高分辨率的2個(gè)顯像裝置和一些陀螺儀等傳感器組成。其中，顯像裝置可將計(jì)算機(jī)生成的圖像通過(guò)分割屏幕技術(shù)分成2個(gè)不同視角的畫(huà)面，分別進(jìn)入左右眼，從而為用戶提供3D感受。頭戴式顯示器的一種——交互頭盔，如圖1所示。

手柄或手套是用于在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行手部交互的設(shè)備。這些設(shè)備通常包含了觸覺(jué)傳感器和位移傳感器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶手部的動(dòng)作和位置。通過(guò)手柄或手套，用戶可以在虛擬環(huán)境中觸摸和抓取物體，進(jìn)行手部動(dòng)作操作。交互手套的外觀，如圖2所示。

運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備可以幫助用戶在虛擬環(huán)境中進(jìn)行全身運(yùn)動(dòng)。這些設(shè)備通常使用攝像頭、紅外線、雷達(dá)等技術(shù)，以精確地追蹤用戶頭部、身體、手臂等部位的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備，用戶可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行自由的身體運(yùn)動(dòng)，增加身臨其境的感覺(jué)。

模擬駕駛設(shè)備主要用于在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行駕駛模擬體驗(yàn)。這些設(shè)備通常包括一個(gè)真實(shí)車輛的座椅、方向盤(pán)、踏板和顯示器等組件。通過(guò)模擬駕駛設(shè)備，用戶可以感受真實(shí)的駕駛體驗(yàn)，提高駕駛技能。

在一個(gè)數(shù)字媒體平臺(tái)或終端下，其交互系統(tǒng)究竟需要應(yīng)用到哪些硬件，需要根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)任務(wù)有針對(duì)性的選擇。這里，能是上述提及的各種硬件設(shè)備中的一種或幾種，也可能是其他未被提及的硬件設(shè)備。

2" 虛擬現(xiàn)實(shí)在數(shù)字媒體交互中應(yīng)用的軟件設(shè)計(jì)

在數(shù)字媒體交互系統(tǒng)下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所需的軟件環(huán)境包括虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)、模擬和交互軟件、內(nèi)容開(kāi)發(fā)工具等軟件環(huán)境的支持，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為用戶帶來(lái)一種身臨其境的體驗(yàn)，拓展各行各業(yè)的應(yīng)用前景。

虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)：虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心軟件，用于創(chuàng)建和渲染虛擬環(huán)境，并將用戶的輸入與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。常見(jiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)有Unity、Unreal Engine等，他們提供了豐富的開(kāi)發(fā)工具和資源，用于創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景、物體模型、運(yùn)動(dòng)追蹤和交互設(shè)計(jì)等。

模擬和交互軟件：模擬和交互軟件是在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中提供交互和模擬功能的軟件。通過(guò)模擬軟件，用戶可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行培訓(xùn)、演練、模擬實(shí)驗(yàn)等。而交互軟件則允許用戶在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)交互和控制。

內(nèi)容開(kāi)發(fā)工具：為了創(chuàng)作虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容，開(kāi)發(fā)者需要使用相關(guān)的內(nèi)容開(kāi)發(fā)工具，如3D建模軟件、動(dòng)畫(huà)軟件、圖像處理軟件等。這些工具可以幫助開(kāi)發(fā)者創(chuàng)建虛擬環(huán)境中的物體、場(chǎng)景、動(dòng)畫(huà)。

全息顯示技術(shù)：全息顯示技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種變體，其通過(guò)投影光線直接顯示三維圖像，而無(wú)須使用頭戴式顯示器。全息顯示技術(shù)具備更高的可視化效果和真實(shí)感，可以在醫(yī)學(xué)、教育等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

數(shù)字媒體交互過(guò)程的軟件設(shè)計(jì)，包括一個(gè)通用的架構(gòu)，如圖3所示。

從圖3中可以看出，根據(jù)數(shù)字媒體交互接口的設(shè)計(jì)總?cè)蝿?wù)需求，在任務(wù)表單層進(jìn)行交互功能的細(xì)化和分解，進(jìn)而根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)所需的設(shè)備、材料、轉(zhuǎn)換和通信等需求訪問(wèn)數(shù)字媒體的底端數(shù)據(jù)庫(kù)，這是一個(gè)完整的軟件設(shè)計(jì)流程。

3" 虛擬現(xiàn)實(shí)在數(shù)字媒體交互中應(yīng)用的性能測(cè)試

為了檢驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字媒體交互中的應(yīng)用效果，依據(jù)本文的軟硬件設(shè)計(jì)框架，設(shè)計(jì)數(shù)字媒體的交互過(guò)程，并和沒(méi)有使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字媒體交互、傳統(tǒng)媒體的交互進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試其性能。

性能測(cè)試從2個(gè)方面展開(kāi)，第一組測(cè)試實(shí)驗(yàn)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字媒體交互接口測(cè)試用戶使用的滿意度，結(jié)果如圖4所示。

圖4中，橫坐標(biāo)代表了用戶與數(shù)字媒體接口的交互次數(shù)，分別是0、1、2、3、4、5和6次?？v坐標(biāo)代表了用戶和數(shù)字媒體接口交互后的滿意度，刻度分別是70%、75%、80%、85%、90%、95%和100%。

從圖4中的曲線變化結(jié)果可以看出，隨著交互次數(shù)的不斷增加，用戶對(duì)數(shù)字媒體技術(shù)的交互過(guò)程滿意度穩(wěn)步提升，最終基本穩(wěn)定在95%以上。可見(jiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用，給數(shù)字媒體交互過(guò)程提供了更好的體驗(yàn)感、真實(shí)感。

第二組測(cè)試實(shí)驗(yàn)，考察本文方法完成的數(shù)字媒體交互過(guò)程的實(shí)時(shí)性。信息交互的過(guò)程，延遲足夠小、實(shí)時(shí)性足夠高，是最好的用戶體驗(yàn)。因此，延遲或?qū)崟r(shí)性也被看作是衡量數(shù)字媒體技術(shù)交互性能的重要指標(biāo)。這里分別采用了常規(guī)媒體交互、數(shù)字媒體交互及本文提出的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字媒體交互進(jìn)行實(shí)時(shí)性的比對(duì)，比對(duì)結(jié)果如圖5所示。

圖5中，橫坐標(biāo)代表了不同種類的操作，一共包括了5種操作。縱坐標(biāo)代表了實(shí)時(shí)性提升程度。白色柱代表了常規(guī)媒體交互過(guò)程的實(shí)時(shí)性提升程度，斜剖面線柱代表了數(shù)字媒體交互過(guò)程的實(shí)時(shí)性提升程度，點(diǎn)剖面柱代表了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字媒體交互過(guò)程的實(shí)時(shí)性提升程度。

從3種交互的對(duì)比結(jié)果可以明顯看出，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完成數(shù)字媒體交互過(guò)程的設(shè)計(jì)，用戶完成不同種類的操作，實(shí)時(shí)性都得到了明顯的提升，提升幅度在12%以上，最高接近16%，明顯高于其他2種類型的媒體交互。

4" 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字媒體技術(shù)帶來(lái)了深刻的變革，是目前人類社會(huì)接收各種信息的重要途徑。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供良好的體驗(yàn)感、滿意度、實(shí)時(shí)性，對(duì)于數(shù)字媒體技術(shù)交互過(guò)程的改變具有重要的意義。本文中，首先從硬件角度分析了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字媒體交互采用的設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)設(shè)備、頭盔、手套、手柄、運(yùn)動(dòng)捕捉、模擬駕駛和全息現(xiàn)實(shí)等。其次從軟件角度分析了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字媒體交互的設(shè)計(jì)流程和框架，包括虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)、模擬和交互軟件、內(nèi)容開(kāi)發(fā)工具等軟件環(huán)境的支持等。性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字媒體交互過(guò)程設(shè)計(jì)，具有更高的滿意度和實(shí)時(shí)性。

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