學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不得不掌握的核心技術(shù)

　　虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。是由計(jì)算機(jī)生成虛擬世界，用戶能夠進(jìn)行視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等全方位交互。現(xiàn)階段在計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度達(dá)不到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所需要的情況下，相關(guān)技術(shù)就顯得尤為重要。要生成一個(gè)三維場(chǎng)景，并使場(chǎng)景圖像能隨視角不同實(shí)時(shí)地顯示變化，只有設(shè)備還不夠的，還要有相應(yīng)的技術(shù)理論相支持。

　　三維建模技術(shù)

　　虛擬環(huán)境建模的目的在于獲取實(shí)際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)其應(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。只有設(shè)計(jì)出反映研究對(duì)象的真實(shí)有效的模型，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)才有可信度。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境，可能有下列幾種情況：

　?。?）模仿真實(shí)世界中的環(huán)境（系統(tǒng)仿真）。

　?。?）人類主觀構(gòu)造的環(huán)境。

　　（3）模仿真實(shí)世界中人類不可見(jiàn)的環(huán)境（科學(xué)可視化）。

　　三維建模一般主要是三維視覺(jué)建模。三維視覺(jué)建?？煞譃閹缀谓?、物理建模、行為建模。

　　立體顯示技術(shù)

　　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。因此，有必要研究立體成像技術(shù)并利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，結(jié)合相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)在平面顯示器上顯示立體視景。目前，立體顯示技術(shù)主要以佩戴立體眼鏡等輔助工具來(lái)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)。目前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)。

　　真實(shí)感實(shí)時(shí)繪制技術(shù)

　　要實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的虛擬世界，僅有立體顯示技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，虛擬現(xiàn)實(shí)中還有真實(shí)感與實(shí)時(shí)性的要求，也就是說(shuō)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。幾何真實(shí)感指與描述的真實(shí)世界中對(duì)象具有十分相似的幾何外觀；行為真實(shí)感指建立的對(duì)象對(duì)于觀察者而言在某些意義上是完全真實(shí)的；光照真實(shí)感指模型對(duì)象與光源相互作用產(chǎn)生的與真實(shí)世界中亮度和明暗一致的圖像。而“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(huà)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。它要求當(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。

　　三維虛擬聲音的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

　　三維虛擬聲音能夠在虛擬場(chǎng)景中使用戶準(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(tīng)覺(jué)方式。虛擬環(huán)繞聲技術(shù)的價(jià)值在于使用兩個(gè)音箱模擬出環(huán)繞聲的效果，雖然不能和真正的家庭影院相比，但是在最佳的聽(tīng)音位置上效果是可以接受的，其缺點(diǎn)是普遍對(duì)聽(tīng)音位置要求較高。

　　人機(jī)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(jué)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)。在虛擬相關(guān)技術(shù)中嗅覺(jué)和味覺(jué)技術(shù)的開(kāi)發(fā)處于探索階段，而恰恰這兩種感覺(jué)是人對(duì)食物和外界最基礎(chǔ)的需要。并且，隨著智能移動(dòng)設(shè)備的普及，人們的各種基礎(chǔ)需求會(huì)不斷得到滿足。因此，氣味傳送或嗅覺(jué)技術(shù)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用空間將會(huì)很大，也更能引起人們的興趣。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。

　　碰撞檢測(cè)技術(shù)

　　碰撞檢測(cè)經(jīng)常用來(lái)檢測(cè)對(duì)象甲是否與對(duì)象乙相互作用。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。為了保證虛擬世界的真實(shí)性，就需要虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測(cè)出這些碰撞，產(chǎn)生相應(yīng)的碰撞反應(yīng)，并及時(shí)更新場(chǎng)景輸出，否則就會(huì)發(fā)生穿透現(xiàn)象。正是有了碰撞檢測(cè)，才可以避免諸如人穿墻而過(guò)等不真實(shí)情況的發(fā)生，影響虛擬世界的真實(shí)感。如下圖為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中兩輛車發(fā)生碰撞反應(yīng)前后的狀態(tài)。

　　在虛擬世界中關(guān)于碰撞，首先要檢測(cè)到有碰撞的發(fā)生及發(fā)生碰撞的位置，其次是計(jì)算出發(fā)生碰撞后的反應(yīng)。在虛擬世界中通常有大量的物體，并且這些物體的形狀復(fù)雜，要檢測(cè)這些物體之間的碰撞是一件十分復(fù)雜的事情，其檢測(cè)工作量較大，同時(shí)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)。

　?。ū疚倪x自《虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論》，作者：婁巖。