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

張曉楠?馬迎梅?杜劍波?侯賓川

摘要：虛擬場景技術(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態(tài)場景和實(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：虛擬場景應(yīng)用;計算機(jī)VR發(fā)展;頭戴式計算機(jī)

1、引言

虛擬場景應(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動態(tài)場景的仿真系統(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景中的真實(shí)程度。理想的虛擬場景需要達(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?？山换ナ侵赣脩魧μ摂M場景內(nèi)的事物的可控制程度和從場景得到響應(yīng)的程度包括延時程度。例如用戶可以用手拾取虛擬場景中的數(shù)字對象，此時手需要有觸碰感，并估計出物體的質(zhì)量，場景中被拾取的數(shù)字對象可以隨著真實(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）、虛擬場景渲染設(shè)備（Render）。此外虛擬場景應(yīng)用系統(tǒng)還需要虛擬場景的相關(guān)技術(shù)。有關(guān)虛擬場景應(yīng)用系統(tǒng)的輸入主要包含兩大類設(shè)備：一類是基于人體動作的的可交互穿戴設(shè)備，主要處理對虛擬場景信息的輸入;第二類是3D定位設(shè)備，主要處理對輸入設(shè)備在3D空間中的坐標(biāo)進(jìn)行定位計算和場景映射，最后輸入虛擬場景應(yīng)用系統(tǒng)的渲染引擎中。 虛擬場景與人體進(jìn)行交互的方式多種多樣，有通過聲音進(jìn)行識別的、基于不同動作的手勢的等，如數(shù)字骨骼手套、三維動作捕捉器等。動作手勢是人類與真實(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)交互場景中。基于手勢的普通交互形式貼合人體結(jié)構(gòu)，操作簡單，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公司在上個世紀(jì)80年代推出的一類基于手勢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)用在虛擬場景的各種應(yīng)用中。

虛擬場景渲染設(shè)備主要包括高性能個人電腦、高性能圖形渲染工作站、高并發(fā)的計算機(jī)組群和分布式計算機(jī)系統(tǒng)四大類。 虛擬場景應(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)是虛擬場景應(yīng)用系統(tǒng)的核心技術(shù)。在虛擬場景應(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)的虛擬場景。只有設(shè)計出和真實(shí)世界相同光影效果的模型，虛擬場景應(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)會給學(xué)習(xí)者的實(shí)操掌握上帶來困難。利用虛擬場景應(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。將完成的虛擬場景模型導(dǎo)出為FBX格式文件，進(jìn)而導(dǎo)入虛擬場景渲染引擎，建立虛擬場景環(huán)境空間，優(yōu)化虛擬場景。為了增強(qiáng)感性認(rèn)識，并使學(xué)習(xí)者對電力高壓設(shè)備的組裝有一個基本了解。利用虛擬場景應(yīng)用技術(shù)的動畫演示，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)入未完工的有危險的實(shí)體建筑時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。虛擬場景應(yīng)用技術(shù)在效果展示間的一般步驟為：利用3DSMax對實(shí)際的展示房間進(jìn)行建模和場景搭建，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虛擬場景效果，并且在虛擬場景中進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)與環(huán)境效果的交互。通過簡單的UI操作，隨意的切換虛擬場景里擺放的各種對象，切換不同的季節(jié)和時間點(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給用戶造成的安全隱患。

結(jié)束語

虛擬場景應(yīng)用技術(shù)是一個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)用會越來越廣泛。

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