虛擬現(xiàn)實(shí)VR工作機(jī)理與關(guān)鍵技術(shù)分析

黃煦桐

（河北省武邑宏達(dá)中學(xué)，河北武邑，053400）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將人工智能，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，跟蹤技術(shù)，顯示技術(shù)等前沿技術(shù)集成在一起的綜合模擬系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)主要是模擬一個(gè)三維空間的虛擬世界，讓參與者在視覺聽覺等感知方面身臨其境，沉浸在里面。虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)成為我國科技發(fā)展的趨勢，如果說90年代是網(wǎng)絡(luò)多媒體時(shí)代，那么21世紀(jì)就將是VR技術(shù)的年代。下面將對虛擬現(xiàn)實(shí)的工作機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)工作機(jī)理分析

■1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(簡稱VR)是一門是由多種技術(shù)集合而成的前沿學(xué)科，包括多媒體技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多個(gè)復(fù)雜技術(shù)，極富挑戰(zhàn)性和創(chuàng)造力。參與者通過特制的傳感器，在視覺、聽覺、觸覺等感知系統(tǒng)的方面達(dá)到模擬真實(shí)的效果，形成一種虛擬世界。參與者依照自己的需要，在虛擬世界中進(jìn)行操作，從而使自己沉浸在其中，到達(dá)人機(jī)交互的效果。縱使這周圍的環(huán)境并不真實(shí)存在，但仿真的三維世界可以使參與者身臨其境。

■1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)成要素

從文獻(xiàn)調(diào)研來看，傳感設(shè)備、感知、自然技能與計(jì)算機(jī)的模擬環(huán)境是構(gòu)成虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本構(gòu)成要素。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的傳感設(shè)備是指三維交互設(shè)備。三維交互設(shè)備包括參與者身上穿戴的設(shè)備，比如數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、雙目全方位顯示器等。還有設(shè)置于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的傳感設(shè)備，比如CAVE洞穴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)，紅外跟蹤器等。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的感知是指在理想的環(huán)境中具有人的感知功能，這通過包括由計(jì)算機(jī)圖形帶來的視覺，還包括環(huán)境中的聽覺、觸覺等。隨著多感知技術(shù)的發(fā)展，人們對嗅覺和味覺技術(shù)追求日趨強(qiáng)烈。但就目前的技術(shù)水平來說，因?yàn)槭艿絺鞲醒b置的限制，能夠具有的感知功能僅僅限于視覺，聽覺，觸覺，運(yùn)動等簡單的感覺，在嗅覺，味覺等復(fù)雜的方面還正在進(jìn)一步的研究中。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的自然技能是指人體動作，如頭部轉(zhuǎn)動、眼球運(yùn)動、手部動作等，由計(jì)算機(jī)來感知人體技能并處理動作產(chǎn)生的對應(yīng)數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)反饋對用人體技能所產(chǎn)生的輸入信息做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，讓虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用者有一種身臨其境的感覺，甚至在虛擬世界參與活動的過程中還可以與其他參與者進(jìn)行溝通交流。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的模擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成并模擬的三維立體圖像，需要逼真到視覺、聽覺、嗅覺和觸覺等的三維效果。生成的三維立體圖像可以來自于真實(shí)世界的圖像，也可以來自于自己想象的世界。

■1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)工作過程

虛擬現(xiàn)實(shí)的工作過程簡單來說可以分為以下三步：

第一步，運(yùn)動的跟蹤。例如為了顯示精確的畫面，在你環(huán)顧你的四周時(shí)，顯示頭盔必須以亞毫米級的精度跟蹤你的頭部運(yùn)動。這是通過各種內(nèi)置傳感器來實(shí)現(xiàn)的。有了這些傳感器提供的各種數(shù)據(jù)，顯示頭盔就可以跟隨頭部做出的任何運(yùn)動。

第二步，全息投影。在已有的現(xiàn)實(shí)場景中建造一個(gè)新的環(huán)境，通過計(jì)算機(jī)成像技術(shù)把一些虛擬的抽象信息轉(zhuǎn)換成有形的具體的影像。

第三步，展示。例如在虛擬世界中，當(dāng)參與者改變自己的位置，處于新位置時(shí)，通過改變他所看到的信息，所聽到的聲音，甚至改變他手上的觸覺，例如從堅(jiān)硬到柔軟，使參與者感知到位置周圍環(huán)境的變換。

■1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特征分析

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征主要有多感知性（Multisensory）、沉浸感(Immersive)、交互性(Interactive)、自主性(autonomous)和想象性(imaginative)等，其中沉浸感、交互性和想象性是三個(gè)最具典型的特征。

沉浸性(Immersive)是指借助計(jì)算機(jī)的輸出逼真的三維圖像，這種虛擬的環(huán)境與真實(shí)的客觀世界一樣，讓人有種身臨其境的感覺。

交互性(Interactive)是指基于計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境下，充分借助一些傳感設(shè)備進(jìn)行相互交互，讓人感覺就像是在客觀世界一樣，這也是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)最為至關(guān)重要的特征。過去的人們通過鼠標(biāo)鍵盤進(jìn)行信息交互，而現(xiàn)在人們可以直接深入計(jì)算機(jī)所構(gòu)造的虛擬世界中與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互。

想象性(imaginative)是基于計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬環(huán)境和交互作用下，可以自發(fā)地獲取新知識，這樣不僅有助于提高感性認(rèn)識，對人們的理性認(rèn)識和主觀能動性也有一定提高，從而深化相關(guān)概念并可以萌發(fā)新的思想，因而可以說，虛擬現(xiàn)實(shí)人的創(chuàng)造性思維是具有啟發(fā)性作用的。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)VR關(guān)鍵技術(shù)分析

■2.1 動態(tài)建模技術(shù)

動態(tài)建模技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心，其主要是針對現(xiàn)實(shí)環(huán)境或想象模擬環(huán)境進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)，其最終目的就是借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力將真實(shí)客觀環(huán)境和虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為三維立體虛擬環(huán)境。基于建模技術(shù)建立的虛擬環(huán)境雖然需要極大的內(nèi)存，但是便于操作和人機(jī)交互。目前的建模技術(shù)包括幾何建模，行為建模和物理建模。

■2.2 計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)

計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)是一種借助強(qiáng)大的數(shù)學(xué)算法將傳統(tǒng)的二維/三維圖形轉(zhuǎn)化為能顯示的格式的科學(xué)。簡單地說，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)就是用計(jì)算機(jī)生成、顯示、繪制圖形的技術(shù)。計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，例如在模擬飛行過程中，對于圖像的生成和更新十分依賴，對于圖像的清晰度要求更高，這些都要依靠計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

■2.3 立體顯示技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的目的就是展示三維立體世界，該技術(shù)的本質(zhì)是利用眼睛對立體視覺差產(chǎn)生的綜合神經(jīng)反射，通過光學(xué)技術(shù)為眼睛提供兩幅具有特定位差的圖像，這樣人們便可以在視覺和心理的反應(yīng)等角度產(chǎn)生三維立體感覺。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，正是利用該視覺差原理，將兩副具有特定位差的圖像借助顯示器分別呈現(xiàn)給人們的左眼和右眼，因此便能獲得實(shí)際的3D感覺體驗(yàn)。參與者的兩只眼睛看到的圖像是通過立體顯示技術(shù)呈現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)的眼鏡上，通過特定的技術(shù)，使得兩只眼睛都只能看到奇（偶）數(shù)幀的圖像，因而產(chǎn)生了立體感。立體顯示主要有以下幾種方式：雙色眼鏡、主動立體顯示、被動同步的立體投影設(shè)備、立體顯示器等高級設(shè)備。

■2.4 視覺跟蹤技術(shù)

視覺跟蹤技術(shù)是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行特征檢測、特征提取、運(yùn)動識別和運(yùn)動跟蹤，進(jìn)而通過算法獲得運(yùn)動參數(shù)。在獲取運(yùn)動參數(shù)之后，視覺跟蹤技術(shù)便可在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的綜合作用下進(jìn)行下一步的處理與分析，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動目標(biāo)行為的理解與解析，以完成后續(xù)更高層次的跟蹤任務(wù)。在虛擬世界中，每個(gè)物體都有自己的位置，而參與者也有自己的位置。參與者所面對的景象就是通過追蹤參與者的頭部的方向來確定的。

■2.5 多感知技術(shù)

多感知技術(shù)包括手勢控制、語音命令、眼球追蹤和面部識別等。其中發(fā)展成熟的有語音命令、面部識別和接觸式手勢控制，且均已得到了廣泛應(yīng)用，而眼球運(yùn)動追蹤和非接觸式手勢控制技術(shù)近些年也得到了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)注。例如在虛擬現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)里，參與者要抓取面前的蘋果，如果沒有感知技術(shù)（在體驗(yàn)手套里安裝可以振動的觸點(diǎn)來模擬觸感），那么參與者的手就會穿過蘋果，這在現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的。

■2.6 語音輸入輸出技術(shù)

語音輸入輸出技術(shù)是指將人的語音信息直接輸入和輸出虛擬世界與真實(shí)世界，參與者通過語音技術(shù)在虛擬環(huán)境中也能同其他參與者自由交流。在現(xiàn)實(shí)生活中，聲音傳來的方向根據(jù)頭部的轉(zhuǎn)動而改變。但目前在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，聲音的方向與參與者頭部的轉(zhuǎn)動沒有關(guān)系。語音識別技術(shù)是我國的發(fā)展技術(shù)語音識別技術(shù)所涉及的領(lǐng)域包括：信號處理、模式識別、人工智能等等。

3 結(jié)論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種人機(jī)交互技術(shù)，它將成為下一代人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展的趨勢。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將走向成熟和變得有藝術(shù)性。相信在不久的將來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在人們的日常生活中普及，給人們提供便利，成為一種全新的信息處理技術(shù)。