劉云從

摘 要 由于VR可以豐富我們的生活，已逐漸的進(jìn)入現(xiàn)代生活，本設(shè)計(jì)由跑步機(jī)系統(tǒng)、處理器、通訊模塊、VR顯示器幾個(gè)模塊組成，該VR全真步行模擬系統(tǒng)可以感知人的行走方位，實(shí)現(xiàn)了人們可以全真行走的體驗(yàn)，特別在游戲中，優(yōu)化了玩家以往使用鍵盤(pán)的操作方法，使玩家能夠自由的改變方位進(jìn)行行走。

【關(guān)鍵詞】VR設(shè)備 步行模擬 系統(tǒng)

現(xiàn)代都市生活的節(jié)奏加快，人們對(duì)于新鮮事物的熱度也越來(lái)越高，因此需要采用先進(jìn)技術(shù)來(lái)加強(qiáng)人們的生活體驗(yàn)，VR全真步行模擬系統(tǒng)可以讓人們?cè)诩依锘蛘咿k公室體驗(yàn)到外面世界多樣化的風(fēng)景。目前國(guó)內(nèi)外的研究集中在VR設(shè)備及技術(shù)的革新方面，加快圖像生成速度與質(zhì)量，改良用戶體驗(yàn)是極為重要的。本設(shè)計(jì)對(duì)于VR顯示器的多個(gè)模塊展開(kāi)分析。

1 VR技術(shù)的發(fā)展

VR通常采取頭戴式眼鏡的形式，在眼睛的前面具有屏幕，聲音可以通過(guò)揚(yáng)聲器或耳機(jī)來(lái)進(jìn)行傳送。人的高級(jí)感覺(jué)包括觸覺(jué)信息，這通常被應(yīng)用于醫(yī)療、視頻游戲和軍事訓(xùn)練應(yīng)用中的感覺(jué)反饋。在視頻游戲中使用的一些VR系統(tǒng)可以通過(guò)游戲控制器向用戶傳送振動(dòng)和其他感覺(jué)。虛擬現(xiàn)實(shí)還指通過(guò)遠(yuǎn)程呈現(xiàn)或使用虛擬制品（VA）來(lái)提供用戶的虛擬存在的遠(yuǎn)程通信環(huán)境。沉浸式環(huán)境可以類似于真實(shí)世界，以創(chuàng)建逼真的體驗(yàn)，讓現(xiàn)實(shí)中玩家可以使用虛擬的力量。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）提供了一種新的媒介，用于在對(duì)人有效且同時(shí)高度受控的方式下呈現(xiàn)情感相關(guān)的復(fù)雜刺激?，F(xiàn)有的模擬設(shè)備需要做到標(biāo)準(zhǔn)化，它們?cè)诮换ツ芰Ψ矫嬗邢蓿@個(gè)技術(shù)還在研發(fā)，從而可以建立個(gè)性化的步行模擬方案。作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)衍生的周邊研究項(xiàng)目之一，長(zhǎng)久以來(lái)，「步行模擬」相關(guān)的探索似乎始終都可以吸引可觀的關(guān)注量，不過(guò)個(gè)中原因細(xì)究之下倒也不難理解：和某些看似更高端更為超現(xiàn)實(shí)的項(xiàng)目——典型如腦電波交互控制和腦機(jī)接口——相比，步行模擬的靠譜度與研究方向顯然要明確得多；同時(shí)，和某些看似挑戰(zhàn)性更高卻又讓人感覺(jué)意義不大的項(xiàng)目——典型如氣味模擬和環(huán)境模擬——相比，步行模擬的可行性與實(shí)用性無(wú)疑要出色太多。一言以蔽之，虛擬現(xiàn)實(shí)步行模擬系統(tǒng)的魅力，其實(shí)就集中在這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)積累了可觀的原型設(shè)計(jì)與研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，兩邊引發(fā)質(zhì)變的拐點(diǎn)似乎已經(jīng)清晰可辨，完善實(shí)用的方案一旦誕生，VR體驗(yàn)的代入感立刻會(huì)提升不止一個(gè)量級(jí)——從科幻小說(shuō)作者到虛擬現(xiàn)實(shí)從業(yè)者，這個(gè)圈子里幾乎所有人都對(duì)這個(gè)結(jié)論堅(jiān)信不移，毫不夸張。

2 VR全真步行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

VR全真步行系統(tǒng)主要有跑步機(jī)系統(tǒng)、處理器、通訊模塊、VR顯示器幾個(gè)模塊組成。

跑步機(jī)系統(tǒng)與一般的跑步機(jī)差別不大，主要差別在于跑步機(jī)的底面上是一層小球，可以在起到按摩作用的同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，把人的運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為小球的旋轉(zhuǎn)方向與速度，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)變?yōu)樘幚砥骺梢宰R(shí)別的電信號(hào)。

處理器可以在接收到電信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行分析與運(yùn)算，正確得到人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括運(yùn)動(dòng)方向和速度，然后進(jìn)行圖像的生成，得到實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景信號(hào)，并將其傳輸?shù)絍R顯示器中。

VR顯示器在接收到信號(hào)后，將其作為圖像進(jìn)行輸出，從而使得使用者可以看到自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，VR顯示器應(yīng)當(dāng)可以進(jìn)行不同場(chǎng)景的生成，例如在公園、在街道上、在風(fēng)景區(qū)等，從而讓使用者有身臨其境的感覺(jué)。

以上模塊的通信都是由無(wú)線通信來(lái)完成的，其中最主要的是Wi-Fi模塊，無(wú)線使得使用者在使用時(shí)不受到線路的限制，方便快捷，減少冗余的部分。無(wú)線通信需要高頻Wi-Fi，因其需要短時(shí)間內(nèi)傳輸大量的圖像信號(hào)，所以速度應(yīng)當(dāng)要快，同時(shí)減少失真，讓使用者可以有著良好的使用體驗(yàn)。

2.2 工作原理

裝置上平面為平面，其余方向?yàn)楣腆w小球，外包一層跑步機(jī)履帶，履帶包裹這這些比較硬的小球，履帶外面也是一層球，兩層球與履帶無(wú)連續(xù)，整個(gè)裝置位于一個(gè)大小剛好的、形狀相同的槽內(nèi)，槽內(nèi)壁有傳感器。人走在履帶上，由于履帶和內(nèi)外兩層小球間的摩擦很小，所以履帶可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。人在平面上可以體驗(yàn)到真的行走的感覺(jué)。同時(shí)因?yàn)椴蹆?nèi)側(cè)的傳感器可以分析處理小球的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，從而推算出人的走路方向，通過(guò)信息手段傳到電腦中，使游戲的人也隨之走動(dòng)。同時(shí)，人與履帶之間的摩擦力應(yīng)該較大，使得人走路可以自由停止，避免出現(xiàn)安全的事故。產(chǎn)品除了擁有可以在 X 軸方向上前后滾動(dòng)的履帶之外，組成這條履帶的每一根皮帶本身也可以在 Y 軸上朝著兩個(gè)方向平穩(wěn)滑動(dòng)，在傳感器的輔助下，可以為使用者提供一個(gè)可以自由運(yùn)動(dòng)的二維平面，讓體驗(yàn)者可以在不更改步行習(xí)慣的前提下自由享受全方位原地漫步的感受，配上 VR 頭顯簡(jiǎn)直完美。

3 VR全真步行系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 傳感器技術(shù)

當(dāng)環(huán)境介質(zhì)的折射率發(fā)生變化，如振動(dòng)或溫度變化等引起，傳感光纖經(jīng)過(guò)此處時(shí)的光波相位會(huì)發(fā)生變化。對(duì)傳感光纖中的相干光進(jìn)行相位調(diào)制，檢測(cè)段處就可以觀察到外界環(huán)境變化帶來(lái)的干涉結(jié)果的變化，這就是干涉型光纖傳感器的工作原理。將每種材料作為均勻連續(xù)體處理，由外部介質(zhì)和表面之間的頻率相關(guān)介電常數(shù)來(lái)描述。這個(gè)物理量被稱為復(fù)介電常數(shù)。為了描述電子表面等離子體，導(dǎo)體的介電常數(shù)的實(shí)部必須為負(fù)，其大小必須大于電介質(zhì)的大小。對(duì)于空氣/金屬和水/金屬界面，其中金屬的介電常數(shù)為負(fù)，空氣或水的介電常數(shù)為正，紅外可見(jiàn)波長(zhǎng)區(qū)域滿足這一條件。為了以共振的方式激發(fā)表面等離子體激元，可以使用電子轟擊或入射光束，可見(jiàn)光和紅外線是較為常用的光束。

3.2 模式識(shí)別技術(shù)

這是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)分支，其重點(diǎn)在于識(shí)別數(shù)據(jù)中的模式和規(guī)則，盡管在某些情況下被認(rèn)為幾乎與機(jī)器學(xué)習(xí)差不多。模式識(shí)別系統(tǒng)在許多情況下采用原始數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練，但是當(dāng)沒(méi)有標(biāo)記數(shù)據(jù)可用時(shí)，可以使用其他算法來(lái)發(fā)現(xiàn)先前未知的模式。數(shù)據(jù)庫(kù)（KDD）中的模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)這些領(lǐng)域很難分開(kāi)，因?yàn)樗鼈冇袝r(shí)候的內(nèi)容是重疊的。所有這些領(lǐng)域都是從人工智能工程和統(tǒng)計(jì)學(xué)演變而來(lái)的，他們通過(guò)整合彼此的發(fā)展，想法變得越來(lái)越相似。在機(jī)器學(xué)習(xí)中，模式識(shí)別是將標(biāo)簽分配給輸入值。模式識(shí)別的主要應(yīng)用是分類，它試圖將每個(gè)輸入值進(jìn)行分類，比如把人的情感轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的信號(hào)，從而對(duì)于顯示的內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)的選擇。endprint

支持向量機(jī)（SVM）表示一組從訓(xùn)練數(shù)據(jù)創(chuàng)建函數(shù)的學(xué)習(xí)技術(shù)，訓(xùn)練數(shù)據(jù)通常包括輸入對(duì)象和期望輸出的對(duì)象。學(xué)習(xí)的函數(shù)可以用于預(yù)測(cè)新對(duì)象的輸出。SVM通常用于對(duì)輸入量進(jìn)行分類。SVM也用于回歸和偏好學(xué)習(xí)，分別稱為支持向量回歸SVR和排名SVM。SVM屬于一類廣義線性分類器，其中分類函數(shù)在特征空間的形式為一個(gè)平面。SVM的特殊性質(zhì)是SVM可以實(shí)現(xiàn)高度的泛化，泛化表示學(xué)習(xí)函數(shù)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)或在訓(xùn)練中排除未知數(shù)據(jù)的性能。通過(guò)SVM技術(shù)可以把VR設(shè)備中的圖像進(jìn)行正確識(shí)別，將其轉(zhuǎn)化為人可以識(shí)別的感情信號(hào)。

3.3 通訊技術(shù)

Wi-Fi是一種允許電子設(shè)備連接到一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的技術(shù)，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射頻頻段。連接到無(wú)線局域網(wǎng)通常是有密碼保護(hù)的，但也可是開(kāi)放的，這樣就允許任何在WLAN范圍內(nèi)的設(shè)備可以連接上。Wi-Fi是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟所持有。目的是改善基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。Wi-Fi最主要的優(yōu)勢(shì)在于不需要布線，可以不受布線條件的限制，因此非常適合移動(dòng)辦公用戶的需要，并且由于發(fā)射信號(hào)功率低于100mw，低于手機(jī)發(fā)射功率，所以Wi-Fi上網(wǎng)相對(duì)也是最安全健康的。

4 總結(jié)

VR模擬步行技術(shù)發(fā)展迅速，因其易用性、穩(wěn)定性、快捷性受到廣大使用者的歡迎。我國(guó)各層次的開(kāi)發(fā)研究人員正不斷地改善當(dāng)前VR模擬步行技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境，為了充分利用VR模擬步行的價(jià)值，在當(dāng)前社會(huì)生活中，各方面應(yīng)用人員應(yīng)加強(qiáng)自身的學(xué)習(xí)與探究，在合理的體系中力求VR模擬步行價(jià)值的利用最大化。

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作者單位

河南省實(shí)驗(yàn)中學(xué) 河南省鄭州市 450014endprint