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        關(guān)于虛擬場(chǎng)景應(yīng)用技術(shù)的實(shí)用性研究

        2020-10-20 13:09:01張曉楠馬迎梅杜劍波侯賓川
        青年生活 2020年25期

        張曉楠?馬迎梅?杜劍波?侯賓川

        摘要:虛擬場(chǎng)景技術(shù)是一種全新的可以創(chuàng)造和感受虛擬世界(VirtualWorld)的計(jì)算機(jī)技術(shù),它利用圖形工作站生成一種數(shù)字的虛擬環(huán)境,是一種多輸入信息交互式的三維動(dòng)態(tài)場(chǎng)景和實(shí)虛交互行為的系統(tǒng)模擬,可借助頭戴式傳感器、3D定位手套等工具設(shè)備,讓用戶沉浸在虛擬的空間,實(shí)時(shí)感受和操作虛擬環(huán)境中的各種物體和情景,從而通過各種感官等獲得身臨其境的真實(shí)感受。

        關(guān)鍵詞:虛擬場(chǎng)景應(yīng)用;計(jì)算機(jī)VR發(fā)展;頭戴式計(jì)算機(jī)

        1、引言

        虛擬場(chǎng)景應(yīng)用技術(shù)又稱虛擬環(huán)境或賽伯空間,是一種可以創(chuàng)造和感受虛擬環(huán)境的計(jì)算機(jī)技術(shù),它利用高性能圖形工作站生成一種數(shù)字環(huán)境,是一種多輸入交互式的3D動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的仿真系統(tǒng),通過頭戴式傳感器、3D定位手套等可穿戴設(shè)備,讓用戶沉浸在虛擬的空間,實(shí)時(shí)感知并操控虛擬環(huán)境中的的各種事物。

        2、技術(shù)特點(diǎn)

        虛擬場(chǎng)景應(yīng)用技術(shù)的主要特點(diǎn)可以概括為沉浸感、可交互和重構(gòu)性。沉浸感是指用戶以第一人稱存在于虛擬場(chǎng)景中的真實(shí)程度。理想的虛擬場(chǎng)景需要達(dá)到難以區(qū)分辨別真假的程度。比如視覺內(nèi)場(chǎng)景應(yīng)隨著身體位置的的變化而變化,甚至超越現(xiàn)實(shí)的效果,比如渲染出比現(xiàn)實(shí)更真實(shí)的GI和環(huán)境混響效果等。可交互是指用戶對(duì)虛擬場(chǎng)景內(nèi)的事物的可控制程度和從場(chǎng)景得到響應(yīng)的程度包括延時(shí)程度。例如用戶可以用手拾取虛擬場(chǎng)景中的數(shù)字對(duì)象,此時(shí)手需要有觸碰感,并估計(jì)出物體的質(zhì)量,場(chǎng)景中被拾取的數(shù)字對(duì)象可以隨著真實(shí)手掌的位移而位移。

        3、支撐硬件

        在虛擬場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)中,硬件支撐設(shè)備主要包含三大部分:輸入設(shè)備(Input)、輸出設(shè)備(Output)、虛擬場(chǎng)景渲染設(shè)備(Render)。此外虛擬場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)還需要虛擬場(chǎng)景的相關(guān)技術(shù)。有關(guān)虛擬場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)的輸入主要包含兩大類設(shè)備:一類是基于人體動(dòng)作的的可交互穿戴設(shè)備,主要處理對(duì)虛擬場(chǎng)景信息的輸入;第二類是3D定位設(shè)備,主要處理對(duì)輸入設(shè)備在3D空間中的坐標(biāo)進(jìn)行定位計(jì)算和場(chǎng)景映射,最后輸入虛擬場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)的渲染引擎中。 虛擬場(chǎng)景與人體進(jìn)行交互的方式多種多樣,有通過聲音進(jìn)行識(shí)別的、基于不同動(dòng)作的手勢(shì)的等,如數(shù)字骨骼手套、三維動(dòng)作捕捉器等。動(dòng)作手勢(shì)是人類與真實(shí)世界中物理接觸及思想表達(dá)的主要窗口之一,同樣可以應(yīng)用到人機(jī)交互場(chǎng)景中?;谑謩?shì)的普通交互形式貼合人體結(jié)構(gòu),操作簡(jiǎn)單,相應(yīng)的交互設(shè)備也非常豐富,其中最為常見的就是數(shù)字骨骼手套。數(shù)字骨骼手套是美國VPL公司在上個(gè)世紀(jì)80年代推出的一類基于手勢(shì)的傳感器的專有名稱。到如今數(shù)字骨骼手套已被廣泛應(yīng)用在虛擬場(chǎng)景的各種應(yīng)用中。

        虛擬場(chǎng)景渲染設(shè)備主要包括高性能個(gè)人電腦、高性能圖形渲染工作站、高并發(fā)的計(jì)算機(jī)組群和分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)四大類。 虛擬場(chǎng)景應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)主要有3D視覺渲染技術(shù),次世代環(huán)境建模技術(shù),全局光照實(shí)時(shí)渲染技術(shù),立體混響實(shí)現(xiàn)技術(shù)等。人們從客觀世界中獲取的信息的途徑主要是通過視覺,視覺數(shù)據(jù)的獲得是人類感知外部世界最重要的傳輸通道,進(jìn)而視覺方式成為虛擬場(chǎng)景系統(tǒng)中最重要的技術(shù)處理方式。在3D視覺渲染技術(shù),實(shí)現(xiàn)3D顯示效果是最為復(fù)雜與重要的,3D視覺渲染技術(shù)是虛擬場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)的核心技術(shù)。在虛擬場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)中,構(gòu)建的數(shù)字環(huán)境是它的基礎(chǔ)內(nèi)容,要構(gòu)建虛擬環(huán)境,首先就要進(jìn)行構(gòu)建模型,接著在基本模型的基礎(chǔ)之上再進(jìn)行顏色貼圖、透視效果顯示,最終形成一個(gè)虛擬的數(shù)字環(huán)境。次世代環(huán)境建模技術(shù)的目的在于構(gòu)建并渲染出實(shí)際3D環(huán)境的數(shù)據(jù),根據(jù)業(yè)務(wù)需求構(gòu)建出相應(yīng)的虛擬場(chǎng)景。只有設(shè)計(jì)出和真實(shí)世界相同光影效果的模型,虛擬場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)才能達(dá)到足夠的沉浸感。就現(xiàn)在的三維視覺建模技術(shù)水平,基本僅限與3D場(chǎng)景建模和三維環(huán)境混響建模。

        4、輔助高危教學(xué)應(yīng)用

        虛擬場(chǎng)景應(yīng)用技術(shù)在輔助高危教學(xué)中的應(yīng)用。比如高壓維修課程實(shí)踐性很強(qiáng),只在文字和圖片上去學(xué)習(xí)會(huì)給學(xué)習(xí)者的實(shí)操掌握上帶來困難。利用虛擬場(chǎng)景應(yīng)用技術(shù)可以將文字、聲音、圖片、實(shí)體模型等多做種數(shù)字物體表現(xiàn)形式系統(tǒng)的、有情節(jié)的地結(jié)合。虛擬場(chǎng)景應(yīng)用技術(shù)課件的一般步驟為:構(gòu)建一系列環(huán)境形體的三維模型,然后為這些模型貼付相應(yīng)的紋理和設(shè)置真實(shí)的比例大小等。將完成的虛擬場(chǎng)景模型導(dǎo)出為FBX格式文件,進(jìn)而導(dǎo)入虛擬場(chǎng)景渲染引擎,建立虛擬場(chǎng)景環(huán)境空間,優(yōu)化虛擬場(chǎng)景。為了增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí),并使學(xué)習(xí)者對(duì)電力高壓設(shè)備的組裝有一個(gè)基本了解。利用虛擬場(chǎng)景應(yīng)用技術(shù)的動(dòng)畫演示,虛擬出組裝電力高壓設(shè)備過程中所需的主要硬件,再通過理論文件嵌入到視覺UI的方法,使學(xué)習(xí)者既能在視覺UI中觀察到2D形式硬件結(jié)構(gòu)原理的圖片和文字,又能看到3D形式的虛擬場(chǎng)景展現(xiàn)出來的更真實(shí)的設(shè)備模型。這樣從多種角度使學(xué)習(xí)者更真切地、感受并理解高危電力設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理和組裝過程,一切都在虛擬場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)中有條不紊的進(jìn)行,而且避免了真實(shí)高壓設(shè)備給學(xué)習(xí)者帶來的安全隱患。

        5、效果展示間應(yīng)用

        虛擬場(chǎng)景應(yīng)用技術(shù)在效果展示間的應(yīng)用。效果展示間是一個(gè)樓盤的臉面,其展示的效果是否達(dá)到消費(fèi)者的預(yù)期直接影響房子的銷售,使用虛擬場(chǎng)景應(yīng)用技術(shù)可以給用戶帶來超預(yù)期的效果,在不用進(jìn)入未完工的有危險(xiǎn)的實(shí)體建筑時(shí)就能用一種更直觀的展現(xiàn)形式讓用戶真實(shí)的看到房間的格局以及裝修的效果。與傳統(tǒng)的表現(xiàn)形式相比,還可以從非常規(guī)角度來觀賞整體的房間效果,比如漂浮在空中,從高層樓外來觀看室內(nèi)等等。虛擬場(chǎng)景應(yīng)用技術(shù)在效果展示間的一般步驟為:利用3DSMax對(duì)實(shí)際的展示房間進(jìn)行建模和場(chǎng)景搭建,以便可以在室內(nèi)外進(jìn)行全角度漫游。利用HTC VIVE頭戴式設(shè)備提供沉浸式的近乎真實(shí)的3D虛擬場(chǎng)景效果,并且在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行精確定位,實(shí)現(xiàn)與環(huán)境效果的交互。通過簡(jiǎn)單的UI操作,隨意的切換虛擬場(chǎng)景里擺放的各種對(duì)象,切換不同的季節(jié)和時(shí)間點(diǎn),不止可以在空間上全方位的感受展示效果,還可以跨域時(shí)間緯度進(jìn)行全方位的感受。而且還避免了真實(shí)建筑內(nèi)可能帶來的高空墜物的危險(xiǎn)給用戶造成的安全隱患。

        結(jié)束語

        虛擬場(chǎng)景應(yīng)用技術(shù)是一個(gè)極具潛力的前沿研究方向,是面向21世紀(jì)的重要技術(shù)之一。 它在理論,軟硬件環(huán)境的研究方面依賴于多種技術(shù)的綜合,其中有很多技術(shù)有待完善。可以預(yù)見,隨著技術(shù)的發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。

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