虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)的核心技術(shù)

當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心技術(shù)，其中包括：與交互體驗(yàn)相關(guān)的力反饋技術(shù)、動(dòng)作捕捉技術(shù)，3D 立體技術(shù)等，共計(jì) 15 項(xiàng)。

如果您對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)感興趣，并想了解、學(xué)習(xí)與虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)的核心技術(shù)，本篇梳理值得您收藏。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要研究如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。

處理技術(shù)上，圖形主要分為兩類：

一類是由線條組成的圖形，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等;

另一類是類似于照片的明暗圖 (Shading)，也就是通常所說的真實(shí)感圖形。

仿真技術(shù)

以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和專用設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的 或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

如：汽車或飛機(jī)的駕駛訓(xùn)練模擬器，即應(yīng)用仿真技術(shù)。

三維虛擬聲音的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

三維虛擬聲音在虛擬場(chǎng)景中，使用戶能夠準(zhǔn)確地判斷出聲源的精確位置，符合人們?cè)谡鎸?shí)境界中聽覺方式。

虛擬環(huán)繞聲技術(shù)價(jià)值在于：使用兩個(gè)音箱模擬出環(huán)繞聲的效果，不過無法和真正的家庭影院相比，此外，該技術(shù)普遍對(duì)聽音位置要求較高。

碰撞檢測(cè)技術(shù)

在虛擬世界中，由于用戶與虛擬世界的交互及虛擬世界中物體的相互運(yùn)動(dòng)，物體之間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)發(fā)生相碰的情況。

所以，碰撞檢測(cè)經(jīng)常用來檢測(cè)兩對(duì)象是否相互作用，以保證虛擬世界的真實(shí)性，并及時(shí)更新場(chǎng)景輸出，否則就會(huì)發(fā)生穿透現(xiàn)象。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中有較高實(shí)時(shí)性的要求，要求碰撞檢測(cè)必須在很短的時(shí)間(如 30～50ms)完成，因而碰撞檢測(cè)成了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與其他實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的瓶頸，碰撞檢測(cè)是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)研究的一個(gè)重要技術(shù)。

三維建模技術(shù)

三維建模一般主要是三維視覺建模。三維視覺建?？煞譃閹缀谓！⑽锢斫?、行為建模。

常見有 Autodesk 旗下的 3DMAX、MAYA 以及工業(yè)領(lǐng)域常用的法國(guó)達(dá)索集團(tuán)的 CATIA 和 SolidWorks、美國(guó) PTC 公司的 Pro/Engineer、西門子公司的 UG(Unigraphics NX)等。

三維顯示技術(shù)

三維顯示技術(shù)更多的是硬件相關(guān)的，如立體投影設(shè)備、立體顯示器、VR 頭盔、VR 眼鏡等。

力反饋技術(shù)

與交互體驗(yàn)相關(guān)的技術(shù)。

力反饋主要通過各種高精尖馬達(dá)和傳感器配合來進(jìn)行觸覺的模擬。

初級(jí)比如游戲手柄的震動(dòng)反饋，進(jìn)階級(jí)比如用于物理康復(fù)訓(xùn)練的相關(guān)設(shè)備，工業(yè)級(jí)用于裝配維修模擬的力反饋設(shè)備，甚至是用于遠(yuǎn)程醫(yī)療和醫(yī)療科研相關(guān)的力反饋設(shè)備。

動(dòng)作捕捉技術(shù)

這是與交互體驗(yàn)相關(guān)的技術(shù)。

動(dòng)作技術(shù)涉及尺寸測(cè)量、物理空間里物體的定位及方位測(cè)定等方面可以由計(jì)算機(jī)直接理解處理的數(shù)據(jù)。在運(yùn)動(dòng)物體的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤器，由 Motion capture 系統(tǒng)捕捉跟蹤器位置，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后得到三維空間坐標(biāo)的數(shù)據(jù)。

常用的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)從原理上說可分為機(jī)械式、聲學(xué)式、電磁式、主動(dòng)光學(xué)式和被動(dòng)光學(xué)式。

環(huán)境建模技術(shù)

即虛擬環(huán)境的建立，目的是獲取實(shí)際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

立體聲合成和立體顯示技術(shù)

技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中消除聲音的方向與用戶頭部運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性，同時(shí)在復(fù)雜的場(chǎng)景中實(shí)時(shí)生成立體圖形。

立體顯示是虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它使人在虛擬世界里具有更強(qiáng)的沉浸感，立體顯示的引入可以使各種模擬器的仿真更加逼真。

目前，立體顯示技術(shù)主要以佩戴立體眼鏡等輔助工具來觀看立體影像。隨著人們對(duì)觀影要求的不斷提高，由非裸眼式向裸眼式的技術(shù)升級(jí)成為發(fā)展重點(diǎn)和趨勢(shì)。

比較有代表性的技術(shù)有：分色技術(shù)、分光技術(shù)、分時(shí)技術(shù)、光柵技術(shù)、全息顯示技術(shù)。

交互技術(shù)

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的虛擬空間中，人可以使用眼睛、耳朵、皮膚、手勢(shì)和語(yǔ)音等各種感覺方式直接與之發(fā)生交互，這就是虛擬環(huán)境下的人機(jī)自然交互技術(shù)。

在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域中較為常用的交互技術(shù)主要有手勢(shì)識(shí)別、面部表情的識(shí)別、眼動(dòng)跟蹤以及語(yǔ)音識(shí)別等。

系統(tǒng)集成技術(shù)

由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)為重中之重：包括信息同步技術(shù)、模型標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、識(shí)別和合成技術(shù)等等。

動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容。

動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用 CAD 技術(shù)(有規(guī)則的環(huán)境)，而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術(shù)，兩者的有機(jī)結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。

實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)

三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但何時(shí)達(dá)成實(shí)時(shí)是關(guān)鍵。

為了達(dá)到實(shí)時(shí)的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于 15 楨/秒，最好是高于 30 楨/秒。

在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的前提下，如何提高刷新頻率是該技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。

立體顯示和傳感器技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展。

現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需要，例如，數(shù)據(jù)手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點(diǎn);虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高，因此有必要開發(fā)新的三維顯示技術(shù)。

真實(shí)感實(shí)時(shí)繪制技術(shù)

虛擬世界的產(chǎn)生不僅需要真實(shí)的立體感，而且虛擬世界還必須實(shí)時(shí)生成，這就必須要采用真實(shí)感實(shí)時(shí)繪制技術(shù)。

真實(shí)感實(shí)時(shí)繪制是在當(dāng)前圖形算法和硬件條件限制下提出的在一定時(shí)間內(nèi)完成真實(shí)感繪制的技術(shù)。

“真實(shí)感”的涵義包括幾何真實(shí)感、行為真實(shí)感和光照真實(shí)感。

“實(shí)時(shí)”的涵義則包括對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象位置和姿態(tài)的實(shí)時(shí)計(jì)算與動(dòng)態(tài)繪制，畫面更新達(dá)到人眼觀察不到閃爍的程度，并且系統(tǒng)對(duì)用戶的輸入能立即做出反應(yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)場(chǎng)景以及事件的同步。

要求當(dāng)用戶的視點(diǎn)改變時(shí)，圖形顯示速度也必須跟上視點(diǎn)的改變速度，否則就會(huì)產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象。