楊海茹　王曉彤

摘要：本研究闡述額虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)概念，詳細分析了運動捕捉技術(shù)、體感技術(shù)、三維交互技術(shù)的技術(shù)特征、分類，并結(jié)合案例進行應(yīng)用分析。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；交互技術(shù)；案例

中圖分類號：G4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0038-02

伴隨著數(shù)字信息時代的到來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在各個領(lǐng)域有了很大的進展，也改變著人們的交互方式。這種集計算機三維圖形技術(shù)、交互技術(shù)、模擬技術(shù)等技術(shù)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)旨在創(chuàng)造虛擬仿真環(huán)境，使用戶猶如進入到真實的環(huán)境中進行活動和互動，從而形成更好的互動與交流。虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的具體交互技術(shù)都有哪些，特征功能及如何應(yīng)用，本文對此問題進行了研究。

1 國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)界定

虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)，通常是指用傳感手套和頭盔顯示器等一些佩戴交互設(shè)備與計算機處理技術(shù)相結(jié)合形成的一種計算機軟硬件環(huán)境[1]。汪成為（1996）認為虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)不僅僅代表那些交互設(shè)備所涉及的交互技術(shù)，還包括一系列虛擬環(huán)境模擬和體驗的技術(shù)和方法。筆者認為，虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)是一種利用圖形學(xué)、成像技術(shù)等多種技術(shù)，利用各種交互設(shè)備，集合計算機系統(tǒng)，形成一系列與真實環(huán)境相似的情景體驗的方法和技術(shù)。它能使體驗者佩戴某種設(shè)備，就可以進入預(yù)先設(shè)置好的虛擬環(huán)境中，并可以與這個虛擬環(huán)境進行多種形式的互動與交流。

2 虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)分析

2.1 運動捕捉交互技術(shù)

運動捕捉交互技術(shù)，簡稱動捕。它是通過捕捉和記錄真實事物的動作后，將這些動作通過電腦融入到虛擬角色中，使虛擬角色與真實事物的動作相互聯(lián)系在一起，以形成更真實，流暢的視覺體驗。通常我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷膭幼鞑蹲浇换ゼ夹g(shù)的應(yīng)用是在電影中如變形金剛里的大黃蜂等角色，都是通過演員的演繹加之以動作捕捉技術(shù)才能將虛擬人物刻畫的栩栩如生和深入人心，帶給觀看者更加豐富的視覺感受。技術(shù)分類包含以下幾種：（1）機械式運動捕捉，在運動物體的可轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)處裝上角度傳感器，依靠這種機械裝置來跟蹤和測量物體的運動軌跡。通常用于靜態(tài)造型的捕捉，且成本較低，但唯一不足的是不適用于動作復(fù)雜且連續(xù)的運動狀態(tài)跟蹤。（2）聲學(xué)式運動捕捉，通過發(fā)射超聲波，來探測運動物體的距離，從而完成對動作的定位和記錄。但由于聲音的傳遞受環(huán)境的影響較大，所以測量往往存在較大的誤差，這種方法往往不被采用。（3）電磁式運動捕捉，在根據(jù)一定規(guī)則分布的電磁場中，放置在表演者上的接收傳感器被定位，然后通過電纜傳輸?shù)教幚韱卧远ㄎ粋鞲衅鞯奶囟ㄎ恢?。缺點也是，磁場容易受到金屬等物品的干擾，從而影響測量精度。（4）光學(xué)式運動捕捉，在運動物體關(guān)鍵部位貼上發(fā)光發(fā)亮的標(biāo)記，然后通過照相機等視覺系統(tǒng)，按先后順序記錄和還原這些亮點的運動軌跡，完成物體運動的記錄和捕捉。這種運動捕捉方式的測量精確，所以投入使用時花費的成本比較昂貴[2]。

案例：世優(yōu)科技虛擬動畫制作公司為例，介紹一下動作捕捉技術(shù)是如何實現(xiàn)教育實時動畫生成的。整個產(chǎn)品體系的核心技術(shù)是基于動作捕捉的實時和快速動畫技術(shù)，它是通過佩戴穿戴式的捕捉設(shè)備，與模型進行點對點的對應(yīng)和聯(lián)系，以實現(xiàn)動作同步生成，從而實現(xiàn)通過實時的動作捕捉產(chǎn)生可以直播的最終實時動畫。實現(xiàn)這套技術(shù)主要涵蓋動作捕捉、動畫修正、渲染/環(huán)境三個板塊。此動作捕捉虛擬交互技術(shù)還滲透在“虛擬工場”、“快速動畫工場”、“魔云工場”等多種產(chǎn)品的技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用中。運動捕捉技術(shù)在教育動畫的開發(fā)和應(yīng)用，極大的降低了動畫制作的勞動力，給教育領(lǐng)域創(chuàng)造了很好的教學(xué)資源和教學(xué)環(huán)境。

2.2 體感交互技術(shù)

體感交互技術(shù)是人機交互史上的一次革命，它利用自然語言（如身體動作和聲音）操縱多媒體設(shè)備，為人類提供創(chuàng)新體驗。如果把虛擬環(huán)境看作一個計算機系統(tǒng)，通過體感交互可以把人體變成一個鼠標(biāo)，通過感知人體的各種感官變化對這個虛擬環(huán)境進行控制。體感交互技術(shù)的實現(xiàn)通常要經(jīng)歷三個步驟：第一步，深度測量，通過深度攝像頭定位人物和背景；第二步，前景分割，通過辨識人體和背景，把兩者分離開，只定位人體骨架，并對人體骨架的關(guān)鍵節(jié)點進行識別；第三步，通過之前的人體骨架定位，對人體的走，跑，跳等基本動作可以進行簡單的應(yīng)答和識別。目前，體感交互在技術(shù)上已經(jīng)基本走向成熟。根據(jù)傳感方法與原理的區(qū)別，可以分為慣性傳感，光學(xué)傳感，慣性傳感和光學(xué)組合傳感三類。慣性傳感主要通過磁傳感器感知經(jīng)驗人體運動的物理參數(shù)，然后根據(jù)該測量值獲得用戶的空間運動。光學(xué)傳感主要是通過光學(xué)傳感器獲取人體圖像，最后通過計算來確定人體動作。綜合感測是慣性和光學(xué)傳感器的組合來推斷運動，它可以簡單地看作是上述兩種傳感方法的集合[3]。

案例：曼恒數(shù)字技術(shù)有限公司為解決虛擬現(xiàn)實環(huán)境中運動捕捉交互技術(shù)在實踐時可能出現(xiàn)的很多不穩(wěn)定因素，自主開發(fā)和研究了國內(nèi)首個體感交互的虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)備和平臺。該公司是將一種體感交互設(shè)備Kinect與其獨立自主開發(fā)研制的虛擬現(xiàn)實平臺進行了合并與聯(lián)合，開發(fā)了一款具有獨立產(chǎn)權(quán)的DVS 3D產(chǎn)品。該產(chǎn)品可以擺脫傳統(tǒng)的鼠標(biāo)鍵盤和復(fù)雜的動作捕捉等佩戴設(shè)備的范圍有限帶來的束縛，而通過手勢動作就可以自如的完成交互操作和活動。

2.3 三維交互技術(shù)

三維交互技術(shù)是指在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建對象的三維模型，然后通過交互設(shè)計軟件設(shè)置交互程序，以便用戶可以通過鼠標(biāo)等交互設(shè)備實現(xiàn)人機交互新興技術(shù)，使用鼠標(biāo)來控制觀察的方向可以是左或右，并且可以接近或遠離。它主要借助三維立體的動態(tài)模型，來全方位多層次細致的呈現(xiàn)物體的各個部位的結(jié)構(gòu)和功能，使物體更加利于觀察和操作。三維成像技術(shù)的特點主要是利用人體自身特殊的視覺機理，而呈現(xiàn)出的一種立體鏡效果。它以其獨特的優(yōu)勢，正在引領(lǐng)可視化技術(shù)像一個嶄新的方向發(fā)展，在軍事，醫(yī)療，教育，商業(yè)，文化傳播等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，開發(fā)潛力無窮[4]。

案例：“中視典數(shù)字科技”自主開發(fā)和研究的虛擬仿真實驗室平臺為例進行具體分析，它是利用虛擬三維交互技術(shù)、多媒體技術(shù)和多種互動硬件進行融合設(shè)置，以最終實現(xiàn)對教學(xué)實驗過程的各個操作步驟的模擬現(xiàn)實呈現(xiàn)。虛擬實驗室主要是針對日常教學(xué)中某些危險性系數(shù)較大，或者實驗室條件很難滿足實驗需求的情況下開展的一種教學(xué)形式和教學(xué)方法。它的途徑主要分三個步驟：第一步，構(gòu)建三維立體的客觀事物，將所需要的器材和物品打造成直觀的三維形象，便于接下來得操作和處理：第二步，將這些三維立體形象搭建成所需要的教學(xué)目標(biāo)環(huán)境：第三步，在場景中設(shè)計具體的交互，引導(dǎo)學(xué)生在進入場景后可以依據(jù)提示一步步的完成虛擬實驗。這種虛擬實驗室的低成本，可利用度高，而且場景還原逼真，學(xué)生的參與性和動手操作性也很強，所以被許多學(xué)校應(yīng)用于日常的教學(xué)中，十分有利于激發(fā)學(xué)生的探究能力和動手能力。

3 結(jié)語

虛擬世界中的交互技術(shù)，實質(zhì)是構(gòu)建了一個可以人為控制的“自由”交互的虛擬世界。虛擬交互技術(shù)主要是通過佩戴虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備，來實現(xiàn)人體自身的多種感官感受的真實接觸和互動。目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)還只停留在一個開發(fā)的初期，各方面的探索和應(yīng)用還不是特別穩(wěn)定和完善，本文希望對于開發(fā)新的人機交互方式提供了新思路。

參考文獻

[1]張際平.多媒體與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的學(xué)習(xí)應(yīng)用[M].上海教育出版社，2007.

[2]胡茂曉.慣性動作捕捉前端設(shè)備與數(shù)據(jù)傳輸研究[D].山東大學(xué)，2015.

[3]龐小月，郭睿楨， 姚乃埌，等.體感交互人因?qū)W研究回顧與展望[J].應(yīng)用心理學(xué)，2014，20（3）：243-251.

[4]員巍.三維虛擬交互技術(shù)在水墨動畫中的應(yīng)用與研究[D].東華大學(xué)，2014.