劉 陽(yáng)

（哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

隨著我國(guó)信息技術(shù)的高速發(fā)展，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的興起在一定程度上推動(dòng)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為我國(guó)人民群眾日常生活帶來(lái)諸多便利。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用不僅有效提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，還能夠減少人為失誤對(duì)技術(shù)研發(fā)造成的影響。為了進(jìn)一步解決虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，需要加強(qiáng)計(jì)算機(jī)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的應(yīng)用力度。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要依托于計(jì)算機(jī)仿真以及網(wǎng)絡(luò)并行處理技術(shù)為有關(guān)人員開(kāi)展相關(guān)工作提供決策支持。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有以下三大特點(diǎn)：

1.1 構(gòu)想性特點(diǎn)

依托虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠幫助使用者在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中從多個(gè)維度看待事物或者現(xiàn)實(shí)世界。作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵特點(diǎn)，構(gòu)想性還體現(xiàn)在安全管理以及運(yùn)維方面。以施工企業(yè)為例，由于建筑工程施工會(huì)受到技術(shù)變更、環(huán)境因素影響，因此各項(xiàng)施工環(huán)節(jié)開(kāi)展需要管理人員從多個(gè)維度進(jìn)行綜合考量。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠根據(jù)現(xiàn)有施工數(shù)據(jù)信息構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型，幫助技術(shù)人員測(cè)試在不同施工技術(shù)以及施工環(huán)境下建筑工程整體結(jié)構(gòu)受力情況并構(gòu)建有限元云圖，進(jìn)而幫助技術(shù)人員找到最佳施工策略[1]。

1.2 交互性特點(diǎn)

交互性最為應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的直接體現(xiàn)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠幫助使用者構(gòu)建虛擬環(huán)境，并通過(guò)向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入指令的方式做好相關(guān)配置。此時(shí)技術(shù)人員要想實(shí)施控制虛擬環(huán)境中的某一對(duì)象，則可利用肢體動(dòng)作、語(yǔ)言動(dòng)作及眼神動(dòng)作對(duì)其靈活操控[2]。而虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中的運(yùn)動(dòng)傳感器、聲音傳感器以及動(dòng)捕系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)使用者行為變換實(shí)時(shí)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景對(duì)象的有效控制。

1.3 沉浸性特點(diǎn)

沉浸性特點(diǎn)體現(xiàn)在使用者需要通過(guò)佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)裝備的方式與虛擬世界構(gòu)建信息交流渠道。此時(shí)使用者的聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)都會(huì)轉(zhuǎn)移到虛擬場(chǎng)景中，暫時(shí)切斷與外界的聯(lián)系。正因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)槭褂谜邘?lái)沉浸性的體驗(yàn)，才能夠引導(dǎo)使用者依托虛擬環(huán)境在現(xiàn)實(shí)生活中作出相關(guān)動(dòng)作。幫助使用者觀察以及預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)生活中某些決策落實(shí)后可能會(huì)出現(xiàn)的場(chǎng)景[3]。

2 計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)系

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本質(zhì)上是計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)分支，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)槿藗儤?gòu)建虛擬世界，通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中各類事物模擬的方式有效減少企業(yè)技術(shù)研發(fā)或者新技術(shù)投入應(yīng)用時(shí)潛在的風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算機(jī)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展中具有十分重要的意義，能夠有效推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)高速發(fā)展[4]。例如通過(guò)優(yōu)化算法的方式能夠進(jìn)一步增強(qiáng)模擬對(duì)象的仿真性，進(jìn)而形成三維動(dòng)態(tài)實(shí)體。隨著我國(guó)未來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行各業(yè)都需加強(qiáng)針對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用力度。依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)內(nèi)在特質(zhì)不斷利用計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)的真正作用[5]。

3 計(jì)算機(jī)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域中都有直觀體現(xiàn)，例如面部識(shí)別、建模、技術(shù)研發(fā)等等。依托計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠進(jìn)一步發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，滿足多元化需求，最終確保虛擬現(xiàn)實(shí)模型能夠獲得更佳的視覺(jué)表現(xiàn)[6]。

3.1 三維人臉重建算法

3.1.1 三維人臉重建算法概述

三維人臉重建算法在電子游戲領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。在實(shí)際工作中，倘若技術(shù)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)3D美術(shù)人員一直沿用傳統(tǒng)方式繪制三維人臉模型將會(huì)嚴(yán)重影響游戲開(kāi)發(fā)進(jìn)度。而基于圖像的三維人臉重建算法的應(yīng)用能夠幫助技術(shù)人員從單個(gè)視角拍攝的圖片信息中提取數(shù)據(jù)并整合構(gòu)建三維人臉圖形網(wǎng)格，最終實(shí)現(xiàn)快速匹配人臉三維模型[7]。

當(dāng)前我國(guó)關(guān)于三維人臉?biāo)惴ǖ南嚓P(guān)技術(shù)主要分為混合形變以及基于體積回歸這兩種?；旌闲巫兪侵竿ㄟ^(guò)人工采集數(shù)據(jù)的方式制作人臉三維數(shù)據(jù)，以加權(quán)混合并構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的方式匹配照片人臉最優(yōu)權(quán)值組合?；旌闲巫兗夹g(shù)應(yīng)用效果主要依賴三維人臉數(shù)據(jù)庫(kù)，倘若數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)豐富則會(huì)得到較好的預(yù)期效果，但這種算法的時(shí)間復(fù)雜度較高。

體積回歸方法的應(yīng)用需要技術(shù)人員根據(jù)人臉?biāo)谌S空間組成基于體素的三維網(wǎng)格，并且還需建立由照片到三維網(wǎng)格的映射，通過(guò)這種方式判斷三維網(wǎng)格體素是否處于人臉模型體積內(nèi)。最后技術(shù)人員需要對(duì)人臉模型體系內(nèi)所有的體素進(jìn)行渲染。雖然通過(guò)這種方法能夠確保人臉模型形狀細(xì)節(jié)的精細(xì)度較高，但由于頭部不穩(wěn)定，并且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練成本較高，因此導(dǎo)致該技術(shù)應(yīng)用并不常見(jiàn)[8]。

隨著我國(guó)信息技術(shù)的高速發(fā)展，新時(shí)代下需要研發(fā)一款對(duì)于訓(xùn)練數(shù)據(jù)量要求較低，并且時(shí)間復(fù)雜度較低的三維人臉重建算法，以此充分發(fā)揮信息技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)價(jià)值[9]。

3.1.2 三維人臉重建算法的實(shí)現(xiàn)

3.1.2.1 人臉對(duì)齊

在人臉照片拍攝過(guò)程中，由于受到技術(shù)、角度等影響導(dǎo)致人臉照片頭部位置可能存在偏差。為了確保人臉特征點(diǎn)能夠匹配模型，需要技術(shù)人員通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式將三維人臉模型轉(zhuǎn)動(dòng)到與人臉相同的位置。將人臉模型的特征點(diǎn)投影到相機(jī)平面，最終計(jì)算特征點(diǎn)的距離。

技術(shù)人員需要通過(guò)相機(jī)投影變換的方式求得人臉的章動(dòng)角、旋進(jìn)角以及自轉(zhuǎn)角。同時(shí)還需結(jié)合相機(jī)中各個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)同人臉空間坐標(biāo)、人臉坐標(biāo)在世界空間坐標(biāo)的變換矩陣以及人臉旋轉(zhuǎn)和位移數(shù)據(jù)建立方程式。為了確保最終數(shù)據(jù)結(jié)果不會(huì)受到誤差（人臉姿態(tài)）的影響，技術(shù)人員還需利用最小二乘法解決人臉姿態(tài)問(wèn)題。此外，由于在捕捉人臉特征點(diǎn)過(guò)程中，特征點(diǎn)位置會(huì)隨著人臉表情變化而變化，為了確保人臉姿態(tài)不會(huì)受到面部表情影響，還需選擇與面部表情無(wú)關(guān)的特征點(diǎn)開(kāi)展姿態(tài)估計(jì)[10]。

3.1.2.2 人臉混合形變參數(shù)回歸

由于人臉臉頰部分較為光滑，在重建人臉外輪廓細(xì)節(jié)過(guò)程中常常因?yàn)樾枰谥苓叢贾么罅筷P(guān)節(jié)導(dǎo)致模型參數(shù)過(guò)于稠密。因此技術(shù)人員需要在原有技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上附加組合形變模型組。

在實(shí)際工作中，技術(shù)人員首先需要通過(guò)參數(shù)回歸的方式得到人臉骨骼形變模型，隨后對(duì)其進(jìn)行蒙皮更新。此時(shí)技術(shù)人員需要在模型綁定狀態(tài)下根據(jù)局部坐標(biāo)計(jì)算模型空間坐標(biāo)，并調(diào)整人物臉部模型以及五官比例。由于該環(huán)節(jié)涉及的形變模型數(shù)量較小，因此技術(shù)人員可通過(guò)黃金分割的方式搜索每個(gè)形變參數(shù)的權(quán)值，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)人臉臉部輪廓細(xì)節(jié)的優(yōu)化。

3.1.2.3 人臉紋理生成

在對(duì)人臉模型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行三維重建后，為了進(jìn)一步匹配照片中人臉形象，需要結(jié)合實(shí)際情況選擇人臉紋理生成技術(shù)。以正交投影人臉紋理生成技術(shù)為例，該技術(shù)的應(yīng)用原理在于從照片中分割出人臉區(qū)域，將該區(qū)域映射到指定區(qū)域中并做模糊處理。最終通過(guò)改變模型初始紋理映射的方式準(zhǔn)確生成三維人臉模型[11]。

圖1為判斷點(diǎn)是否處于多邊形內(nèi)的方法示意圖。由于在實(shí)際工作中需要技術(shù)人員靈活分割照片人臉區(qū)域，因此需要事先生成蒙版圖，該蒙版圖是由多個(gè)A點(diǎn)組成的多邊形，技術(shù)人員需要通過(guò)如下公式判斷人臉像素是否處于多邊形范圍內(nèi)：

圖1 像素判斷示意圖

其中，A點(diǎn)代表多邊形邊框的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，P點(diǎn)代表人臉像素位置，C點(diǎn)代表人臉平均顏色的RGB值。

通過(guò)對(duì)所有人臉像素判斷是否處于人臉特征點(diǎn)的方式最終得到一個(gè)關(guān)于人臉結(jié)構(gòu)的蒙版圖，技術(shù)人員需要對(duì)其進(jìn)行高斯模糊處理。為了進(jìn)一步確保高斯模糊后不會(huì)因色差問(wèn)題影響整體質(zhì)量，還需要技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行色調(diào)調(diào)整。

本節(jié)著重分析關(guān)于計(jì)算機(jī)技術(shù)在優(yōu)化三維人臉重建方法領(lǐng)域中的策略，通過(guò)展示人臉對(duì)齊、人臉特征點(diǎn)檢測(cè)以及紋理生成的方式體現(xiàn)出依托計(jì)算機(jī)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中提高計(jì)算機(jī)圖像精細(xì)程度的能力。幫助技術(shù)人員在額定設(shè)計(jì)時(shí)間下更加便捷地提高虛擬環(huán)境中人臉圖像質(zhì)量，確保電子游戲中虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境能夠具備較強(qiáng)的真實(shí)性。

3.2 球面紋理映射

3.2.1 球面紋理映射概述

計(jì)算機(jī)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的應(yīng)用還體現(xiàn)在三維物體表面細(xì)節(jié)處理領(lǐng)域中。無(wú)論是廣告的設(shè)計(jì)還是動(dòng)畫(huà)片的制作，為了確保真實(shí)度，需要技術(shù)人員加強(qiáng)對(duì)于三維物體表面紋理的捕捉。在實(shí)際工作中，球面作為三維圖形設(shè)計(jì)最廣泛的中界面能夠展示出日常生活各類物體。但由于球面映射會(huì)導(dǎo)致球面紋理在坐標(biāo)系中相鄰的點(diǎn)映射到球面后面導(dǎo)致重疊現(xiàn)象發(fā)生，出現(xiàn)紋理變形。為了解決球面紋理映射出現(xiàn)紋理變形的現(xiàn)實(shí)困境，需要依托映射適應(yīng)卷積理論，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決混疊現(xiàn)象。

3.2.2 抗混疊算法

為了解決球面紋理存在的混疊現(xiàn)象，需要技術(shù)人員首先對(duì)球面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)柵格化處理，并對(duì)柵格化處理后的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逆映射，以此找到節(jié)點(diǎn)混疊后的位置。

其次技術(shù)人員需要計(jì)算球面所有平面點(diǎn)的形變高斯核范圍，并為球面設(shè)定正方形區(qū)域。將該正方形區(qū)域中心放置在原點(diǎn)處，以柵格化節(jié)點(diǎn)的逆映射為中心，計(jì)算最小外接正方形，該正方形即為球面紋理平面點(diǎn)的高斯平均權(quán)重范圍。

再次，技術(shù)人員需要通過(guò)半球面紋理映射的雅可比矯正高斯核區(qū)域，并在外接正方形的中心構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)柵格。此時(shí)技術(shù)人員需要對(duì)球面的任意采樣點(diǎn)進(jìn)行映射處理獲得映射值，并將映射值與雅可比的絕對(duì)值做除法即可得到球面節(jié)點(diǎn)的離散型變核。

最后，技術(shù)人員需要在原始圖像中利用映射適應(yīng)性卷積進(jìn)行插值，并在以柵格化節(jié)點(diǎn)的逆映射為中心的外接正方形中計(jì)算高斯形變核，得到映射適應(yīng)卷積結(jié)果。針對(duì)每項(xiàng)映射適應(yīng)卷積結(jié)果，都需要選擇合適的插值方法進(jìn)行重采樣，并將有關(guān)數(shù)據(jù)填充至模擬平面中，以此解決球面紋理存在的混疊現(xiàn)象。

本節(jié)重點(diǎn)探究計(jì)算機(jī)技術(shù)在球面模型紋理處理領(lǐng)域中如何解決球面紋理的混疊現(xiàn)象，有效提高了球面三維模型紋理的細(xì)節(jié)以及真實(shí)感，最終有利于我國(guó)動(dòng)畫(huà)制作、廣告設(shè)計(jì)領(lǐng)域朝著科學(xué)化和智能化方向發(fā)展。

3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)聲場(chǎng)渲染技術(shù)

3.3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)聲場(chǎng)渲染技術(shù)概述

使用者佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備完成交互動(dòng)作過(guò)程中，為了進(jìn)一步提高使用感受，不僅需要技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)甚至觸覺(jué)的深度融合，還需要解決虛擬現(xiàn)實(shí)聲場(chǎng)空間化的問(wèn)題，確保能夠?yàn)槭褂谜邘?lái)高質(zhì)量的沉浸感。當(dāng)前我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)聲場(chǎng)渲染技術(shù)需要面臨聽(tīng)覺(jué)效果不佳以及時(shí)間復(fù)雜度過(guò)大的現(xiàn)象，并且虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景在聲音感知方面也存在較大差異。為了解決虛擬現(xiàn)實(shí)聲場(chǎng)問(wèn)題，本節(jié)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)提出了一種基于視聽(tīng)雙模定位的聲源增強(qiáng)模型，提高用戶主觀聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)。

3.3.2 視聽(tīng)雙模定位聲源增強(qiáng)模型

使用者佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備過(guò)程中，對(duì)聲音強(qiáng)度的判斷主要通過(guò)感知自身與聲音源之間的距離判斷位置。當(dāng)使用者同時(shí)利用視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)進(jìn)行雙模定位，那么使用者接收到的視覺(jué)信息一定程度上還會(huì)引導(dǎo)聽(tīng)覺(jué)定位，幫助使用者同時(shí)獲得視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)的刺激，最終減少對(duì)視覺(jué)刺激的依賴，提高整體沉浸感。

技術(shù)人員可將使用者聽(tīng)覺(jué)定位誤差設(shè)為λ，將σ2A設(shè)為聽(tīng)覺(jué)信息的定位方差，將σ2Y設(shè)為視覺(jué)信息的定位方差，將εY以及εA分別設(shè)為視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的相對(duì)權(quán)重，最終構(gòu)建視聽(tīng)雙模定位聲源增強(qiáng)模型：

基于本模型，技術(shù)人員構(gòu)建特定虛擬場(chǎng)景并通過(guò)增加聲音源聲音強(qiáng)度的方式判斷使用者對(duì)聲源的定位情況，最終對(duì)虛擬聲場(chǎng)進(jìn)行渲染。如圖2所示，聲源增強(qiáng)模型渲染后使用者聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)更佳。

圖2 聽(tīng)覺(jué)評(píng)估效果

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著密不可分的聯(lián)系。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠幫助技術(shù)人員從多個(gè)維度確保設(shè)計(jì)決策的有效落實(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠進(jìn)一步優(yōu)化各類算法的時(shí)間復(fù)雜度，提高工作效率。新時(shí)代下，為了進(jìn)一步發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中的作用，需要技術(shù)人員、企業(yè)管理者提高重視程度。