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基于计算机虚拟现实关键技术分析

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摘要:虛拟现实是近些年比较火的一门技术,受到社会各界关注,应用范围也不断扩大。结合发展现状及其特点,选择实物虚化、虛物实化、高性能计算机处理几个关键性点,对虚拟现实技术进行了分析。

关键词:虚拟现实技术;虛拟世界;高性能
虚拟现实作为一种仿真技术,有着极强的学科综合性和技术交叉性,能够生出一种模拟环境,形成虚拟世界。这个环境并不是真实存在的,但通过专用交互装置,用户可以沉浸在模拟环境中,获取最真实的感知体验。所以,虚拟现实技术具有沉浸感、交互性、自主性、多感知性等特点。为提高虚拟现实技术的研究水平,必须抓住重点,解决关键技术难题。
一、实物虚化技术
虚拟和现实是一对反义词,将其结合成一种技术,简单来讲,需要利用计算机、信息传感、三维动态等技术,在现实和虚拟之间搭建起桥梁,形成交互。实物虚化作为基础,是指把现实环境中的信息转化到计算机系统,创建所需要的虚拟世界其关键技术包括:
(一)模型构建
实现虚拟现实技术需先构建虚拟环境,这就要求利用计算机技术进行建模,获取现实环境的三维数据,建立起相应的模型,这也是生成虚拟世界的基础。构建几何模型是首要工作,包括空间布局、几何元素属性等,比如建筑领域常见的三维效果图,利用Gs技术和遥感技术所拍照片构建的大型虚拟战场。为增加真实感,让用户获得更好的体验,往往会保留现实环境的部分物理属性,包括质量、力度、材料等,创建虚拟环境时,也会运用一些动力学原理,比如飞车游戏。天气现象等难以用物理模型准确描述,可借助气象数据,或用其他方式进行构建。
(二)空间跟踪
生活中常见的游戏、旅游等行业的VR体验,用户需戴上专用交互装备,如数据手套、头盔显示器等,这些装备其实都是信息传感器,负责虚拟世界信息的传递。跟踪系统可分为光学、机械等类型,主要由发射器、接收器和其他电子元件组成用户戴上装备后,在虚拟世界中就有了方向、位置,能够通过手套进行移动,或完成其他操作。以数据手套为例,在现实世界中,用户用手去拿一件事物很容易,但在虚拟世界除了鼠标操纵,还可以用数据手套,可以测量手掌弯度、指关节位置、手指弯曲度等,方便用户在虚拟世界抓取虚拟事物。
(三)视听跟踪
视觉和声音跟踪比较容易理解,这是人的两种基本感觉系统。从视频摄像机到-Y平面阵列,跟踪光会在图像投影平面进行投影,不同时刻和不同位置呈现出的投影都不同,视觉跟踪系统就是利用这些投影进行计算,进而确定被跟踪对象的具体位置。精确度很关键,另外还要考虑操作范围,是技术上的一大难题,如果使用多传感器、多发射器,能够提高准确度,但整个系统的复杂程度也会增加,而且造价很高。声音跟踪需要考虑清晰度、时间差等因素,常用的算法有相位相干测量法声波飞行时间测量法等,可根据具体需要选择最适宜的一种。
二、虚物实化技术
人在真实环境中,会有声音、视觉、触觉等多方面的真实感受,比如听到打雷,看到飞鸟,感觉到地震。计算机创建虚拟世界后,为了能让人获取真实的感知体验,就需要将虚物进行实化,借助专用头盔、手套等装置,把营造出的刺激反馈给用户。其关键技术包括:

(一)视觉感知
实物虚化后,在创建出的虚拟世界中,大部分物体都有形状、颜色,以及刮风下雨等天气现象,给用户一种很逼真的感觉,首先是通过视觉感知体现的。除头盔显示器外,立体眼镜、CRT显示器、大屏幕投影等显示设备也应用较广,且具体类型很多。比如头盔显示器,既有直视型,也有投影式,可根据自身需求进行选择。立体显示技术应用于虚拟环境中,用户两只眼睛看到的,是有视差的两幅平面图,眼睛获取信息后,传递给大脑神经,进而合并产生立体视觉感知,具有更强烈的真实感。
(二)听觉感知
光有视觉感知还不够,比如虚拟战场类的游戏,不仅要看宏大壮观的场面,还要听背景声音,才能感觉到逼真,所以声音很大程度上能够弥补视觉感知的不足,并增强渲染力。在过去构建声音模型时,主要通过ITD和IID进行定位,前者是指声源达到两耳的时间差,后者则是声源对两耳形成的压力差。这种方法有一定的局限性,比如单耳定位问题,所以当前多是通过头相关传递函数(HRTF)来描述声音的传播过程,HRTF是一种音效定位算法,利用滤波原理及其方法模拟头部效应和耳廓效应,而且支持单耳定位。
(三)触觉感知
为增加真实感,在视觉、听觉感知之外,还要重视触觉和立觉感知,才能让用户沉浸其中,深刻体现出虚拟现实技术沉浸的特点。比如模拟驾驶系统,用户在操作时,扳动档位杆要感受到震动和松紧。触觉牵扯到很多,比如在水中行走会很吃力,速度变慢;抓取或接触某事物时都会有相应的感觉。虚拟现实技术若少了触觉,很可能在接触物体时,呈现出穿透的效果。常用的增加触觉感知的方法有气压式、震动触感式、神经肌肉模拟等。
三、高性能计算机处理技术
实物虚化和虚物实化都需要大量运算和渲染,所以计算机必须具有强大的处理能力,和极高的运算速度,另外在容量、联网等方面,都要达到相关标准。主要研究内容有实时逼真图像生成与显示技术、多种声音的合成与声音空间化技术、分布式与并行计算技术等。
四、结束语
虚拟现实技术延展了人类在现实世界的认识和感知空间,应用领域越来越多,如影视、游戏、旅游、科研、医疗等,前景非常广阔。受技术条件限制,目前虚拟现实技术刚刚起步,随着科技发展创新,以及研究的深入,必会取得更多更好的成绩.
参考文献:
【1】郭士琪,计算机虚拟现实关键技术研究【J】.电脑迷,2017(7):82.
【2】黄岩, 虚拟现实及其关键技术【J】.信息与电脑,2016(16):53-54.
【3】史瑞芳,计算机虛拟现实技术解析及其在高校教学中的应用探【J】.中国管理信息化,2017(18):223-224.
作者:洪学银 单位:齐齐哈尔工程学院

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