北京理工大學(xué)珠海學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院 黃鴻宇

北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 吳 方

北京理工大學(xué)珠海學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院 歐芷珊 李 韜 劉卓豪

0.引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，簡(jiǎn)稱VR技術(shù)。是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)技術(shù)，它綜合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，傳感器技術(shù)，多媒體技術(shù)，人機(jī)接口技術(shù)，立體顯示技術(shù)及仿真技術(shù)等，憑借著其逼真的人機(jī)交互模式闖進(jìn)了我們的生活。教育，工業(yè)，娛樂(lè)，醫(yī)療等領(lǐng)域也在慢慢引入并運(yùn)用。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，硬件產(chǎn)品性能逐漸提高且價(jià)格逐漸變低，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來(lái)越成熟，運(yùn)用范圍也愈來(lái)愈廣，一個(gè)全新的時(shí)代在向我們走來(lái)。

從現(xiàn)實(shí)世界到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)再到用戶，如下圖1所示，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)便是這樣實(shí)現(xiàn)的。

圖1

1.虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)

1.1 如何實(shí)現(xiàn)精確定位

虛擬現(xiàn)實(shí)是怎么去實(shí)現(xiàn)的呢？我們就又不得不去思考它是怎么做到精確定位了,這便涉及到了VR眼鏡的空間定位技術(shù)了。VR眼鏡的空間定位技術(shù)主要有激光定位，紅外線定位，可見光定位等，被人們津津樂(lè)道的HTC vive 的Lighthouse 技術(shù)則是采用激光定位技術(shù)確定物體位置的，激光發(fā)射塔每秒發(fā)射6次激光，其內(nèi)置的掃描模塊對(duì)手柄和頭盔上的光敏傳感器進(jìn)行掃描來(lái)確定其準(zhǔn)確位置。同時(shí)，眼動(dòng)儀也是一種重要的人體跟蹤設(shè)備，主要借助眼球運(yùn)動(dòng)的追蹤從而實(shí)現(xiàn)定位功能。

1.2 如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)捕捉及實(shí)時(shí)傳送

這就涉及到動(dòng)作捕捉技術(shù)。動(dòng)作捕捉技術(shù)是否跟我們現(xiàn)實(shí)中的GPS定位是一樣的原理呢？我們都知道GPS定位技術(shù)使用的是衛(wèi)星定位在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航功能。那么，我們把身上的每個(gè)關(guān)節(jié)都追蹤定位是不是就可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)捕捉呢？是的，GPS技術(shù)和動(dòng)作捕捉技術(shù)的確有許多相似之處。

動(dòng)作捕捉技術(shù)使用傳感器進(jìn)行定位，通過(guò)加速度計(jì)，陀螺儀，磁力計(jì)等慣性測(cè)量傳感器節(jié)點(diǎn)，將所獲取的運(yùn)動(dòng)物體的位置、速度等信息通過(guò)藍(lán)牙，WiFi等無(wú)線模塊傳送到計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤定位功能；信號(hào)捕捉裝備進(jìn)行信號(hào)的捕捉和獲取，在機(jī)械捕捉系統(tǒng)中，動(dòng)作捕捉是通過(guò)光學(xué)線路板收集電信號(hào)來(lái)完成，而在現(xiàn)廣泛采用的光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)中，則使用高分辨率的紅外攝影機(jī)進(jìn)行信號(hào)的捕捉和獲??；數(shù)據(jù)傳輸和處理設(shè)備則負(fù)責(zé)將所獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析及處理，借助數(shù)據(jù)處理軟件和硬件將運(yùn)動(dòng)信號(hào)以自然語(yǔ)言展現(xiàn)出來(lái)，從而將修正和加工后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺S模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)作呈現(xiàn)。

1.3 如何讓用戶身臨其境

用戶身著VR設(shè)備，即使沒有真正地來(lái)到娛樂(lè)場(chǎng)，也能體驗(yàn)到玩過(guò)山車時(shí)的刺激感，甚至有可能在虛擬的環(huán)境中隨之心速加快，尖叫，像是真的體驗(yàn)過(guò)。即使沒有真正地去到世界各地，也能“身臨其境”般看到各國(guó)風(fēng)景，實(shí)現(xiàn)環(huán)球旅行的夢(mèng)想。這一切在以前看來(lái)似乎匪夷所思，而VR時(shí)代的到來(lái)，卻讓這一切變得不再陌生，那么，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是如何讓用戶身臨其境的呢？

首先，便是在視覺感知方面。用戶受視域，視角，視場(chǎng)角，亮度和對(duì)比度5個(gè)方面的影響，在現(xiàn)實(shí)世界中，又由于人類的眼睛位置不一樣，左右眼所看事物有所不同，即所謂的視差，導(dǎo)致人們所看到的世界是立體的，那么，怎么通過(guò)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)向用戶傳遞不同的圖像信息從而讓用戶身臨其境呢？

這就便要談到我們的立體顯示技術(shù)了。立體顯示技術(shù)就是要解決人類視差引起左、右兩眼所看事物不一致的問(wèn)題，負(fù)責(zé)將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺方法呈現(xiàn)出的平面虛擬現(xiàn)實(shí)圖像轉(zhuǎn)化為三維全景圖像。立體成像技術(shù)主要有兩類——裸眼立體成像和基于眼鏡立體成像。目前我們所接觸到的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，主要通過(guò)眼鏡獲得立體視覺展示，即我們所熟知的VR頭戴顯示設(shè)備，其中基于立體成像技術(shù)主要包括被動(dòng)式中的色差式立體眼鏡成像技術(shù)、偏振光立體成像技術(shù)，主動(dòng)式中的主動(dòng)快門式立體成像技術(shù)及現(xiàn)廣泛運(yùn)用于虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器的左右分屏主體成像技術(shù)。而在我們利用Unity開發(fā)三維游戲，三維動(dòng)畫時(shí)也常利用這種較為簡(jiǎn)單的左右分屏立體式成像技術(shù)——為左右眼制作兩個(gè)獨(dú)立的畫面，然后在左右眼配置的兩組小型顯示器來(lái)單獨(dú)顯示左右眼畫面，達(dá)到立體效果。

其次，便是聲音感知了。人類的聽覺器官對(duì)音色，頻率范圍，聲音強(qiáng)度以及定位四種感知參數(shù)較為敏感，為了提高用戶體驗(yàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)也充分利用以上參數(shù)生成具有立體感的三維效果。

為了形成全景聲音和沉浸式音頻效果，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)由聲音采集和聲音回放技術(shù)實(shí)現(xiàn)。聲音采集包括雙耳錄音和數(shù)字化模擬的3D音頻技術(shù)，雙耳錄音利用頭相關(guān)傳輸函數(shù)原理來(lái)模擬人耳聽到聲音的整個(gè)過(guò)程來(lái)收集聲音，而數(shù)字化模擬的3D音頻技術(shù)則是基于數(shù)字化技術(shù)模擬HRTF（Head Related Transfer Function），通過(guò)多個(gè)方向的麥克風(fēng)采集聲音信息，對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行還原從而收集聲音。聲音回放技術(shù)包括雙耳回放和多通道回放技術(shù)，前者是通過(guò)耳機(jī)回放出來(lái)，后者則是通過(guò)聲場(chǎng)重建技術(shù)將聲音進(jìn)行回放。

最后，便是除視覺和聽覺之外最重要的觸覺和力覺了。觸覺和力覺能讓人們感受到溫度、壓力等感覺，為了使用戶擁有身臨其境的觸感，虛擬現(xiàn)實(shí)中的交互設(shè)備也在這方面進(jìn)行了研究，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)。

觸覺反饋技術(shù)分為桌面型觸覺反饋技術(shù)和可穿戴式觸覺反饋技術(shù)，而由于桌面型穿戴技術(shù)無(wú)法移動(dòng)且占據(jù)一定空間，可穿戴式觸覺反饋逐漸成為虛擬現(xiàn)實(shí)觸覺反饋的主流。

2.對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)引發(fā)了一場(chǎng)科技革命，我們因?yàn)檫@一新型技術(shù)的到來(lái)欣喜不已，因?yàn)闊o(wú)論是已發(fā)生的事物還是仍未實(shí)現(xiàn)的未來(lái)，我們都能通過(guò)這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)如今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也逐漸滲入我們生活中的方方面面。

（1）工業(yè)設(shè)計(jì)的應(yīng)用。在工業(yè)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用則主要是對(duì)產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)。當(dāng)設(shè)計(jì)師們有了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖稿時(shí)，如果直接運(yùn)用于實(shí)物生產(chǎn)，有時(shí)候或許仍需要修改，測(cè)試，導(dǎo)致了一個(gè)產(chǎn)品有無(wú)數(shù)樣品，從而導(dǎo)致資源浪費(fèi)。然而，虛擬設(shè)計(jì)的出現(xiàn)大大改善了此類問(wèn)題。設(shè)計(jì)師們可以對(duì)虛擬產(chǎn)品進(jìn)行無(wú)數(shù)次的改進(jìn)，測(cè)試之后再生產(chǎn)產(chǎn)品，這樣不僅提高了生產(chǎn)效率同時(shí)也節(jié)約了資源。同樣地，對(duì)產(chǎn)品的虛擬維修也為企業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。

（2）虛擬教育的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到教育上面也逐漸在實(shí)現(xiàn)，當(dāng)學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)《我愛北京天安門》時(shí)也能通過(guò)虛擬技術(shù)足不出戶地體驗(yàn)到天安門前五星紅旗迎風(fēng)飄揚(yáng)的場(chǎng)景，從而體會(huì)油然而生的民族自豪感。同樣地，在化學(xué)的學(xué)習(xí)上，對(duì)于我們無(wú)法用于做實(shí)驗(yàn)的硫酸等強(qiáng)腐蝕性化學(xué)材料，我們也能通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室去體驗(yàn)它的特性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓教育變得更加有趣，讓學(xué)生們不僅僅局限于老師于課堂上所講的理論知識(shí)學(xué)習(xí)，同時(shí)也讓學(xué)生們切身去體會(huì)學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，從而提高了教學(xué)質(zhì)量。

（3）娛樂(lè)領(lǐng)域的應(yīng)用。我們所熟知的VR游戲是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。相比單機(jī)或聯(lián)機(jī)的二維游戲，VR游戲無(wú)疑為游戲愛好者提供了一種更為“新鮮”的玩法。在射擊類VR游戲中，我們能夠通過(guò)自己身體的躲閃真正地躲避“敵人”的攻擊，也能通過(guò)瞄準(zhǔn)，扣動(dòng)手柄等方式對(duì)“敵人”進(jìn)行射擊。它有著更強(qiáng)的人機(jī)交互模式，同時(shí)也讓游戲用戶有了更強(qiáng)的沉浸感，大大提高了游戲體驗(yàn)。

（4）軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。戰(zhàn)爭(zhēng)越來(lái)越趨向于高科技作戰(zhàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也愈來(lái)愈頻繁地運(yùn)用于軍事領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)模仿現(xiàn)實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境——沙漠到叢林，建筑，士兵等，同時(shí)以它給人視覺，聽覺上的沉浸感來(lái)達(dá)到訓(xùn)練，研究，演習(xí)等效果。而在不斷地使用多兵種，多環(huán)境，多戰(zhàn)術(shù)演練之后，在真正上了戰(zhàn)場(chǎng)之后便不會(huì)再陌生作戰(zhàn)環(huán)境。

（5）虛擬醫(yī)療的應(yīng)用。虛擬醫(yī)療聽起來(lái)或許不可思議，而它卻是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一個(gè)較為典型的運(yùn)用。無(wú)論是虛擬手術(shù)，虛擬人體，虛擬治療，虛擬實(shí)驗(yàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都為醫(yī)療領(lǐng)域做了很大貢獻(xiàn)。在較為棘手的手術(shù)前，可先通過(guò)虛擬技術(shù)對(duì)手術(shù)進(jìn)行仿真訓(xùn)練后再對(duì)實(shí)際手術(shù)做出相應(yīng)的策略從而提高手術(shù)成功率。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)，測(cè)繪，地產(chǎn)，旅游，虛擬博物館等領(lǐng)域也發(fā)揮著極其重要的作用。虛擬技術(shù)慢慢地滲入我們生活的方方面面，為我們的生活提供了不少便利，也為我們的各項(xiàng)科學(xué)研究節(jié)省了不少資源。

3.結(jié)束語(yǔ)

在信息技術(shù)越來(lái)越發(fā)達(dá)的今天，VR技術(shù)勢(shì)必會(huì)慢慢地將現(xiàn)實(shí)世界還原，只是到了那個(gè)時(shí)候，我們是否會(huì)分不清現(xiàn)實(shí)世界和虛擬現(xiàn)實(shí)？我們是否會(huì)因?yàn)槌撩蕴摂M現(xiàn)實(shí)而“無(wú)可自拔”，這些或許又需要我們?nèi)ニ伎剂恕?/p>

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