學(xué)習虛擬現實(shí)系統不得不掌握的核心技術(shù)

　　虛擬現實(shí)系統主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設備等方面。是由計算機生成虛擬世界，用戶(hù)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?，F階段在計算機的運行速度達不到虛擬現實(shí)系統所需要的情況下，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，只有設備還不夠的，還要有相應的技術(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)境的三維數據，并根據其應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環(huán)境模型。只有設計出反映研究對象的真實(shí)有效的模型，虛擬現實(shí)系統才有可信度。

　　虛擬現實(shí)系統中的虛擬環(huán)境，可能有下列幾種情況：

　?。?）模仿真實(shí)世界中的環(huán)境（系統仿真）。

　?。?）人類(lèi)主觀(guān)構造的環(huán)境。

　?。?）模仿真實(shí)世界中人類(lèi)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)

　　立體顯示是虛擬現實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它使人在虛擬世界里具有更強的沉浸感，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)并利用現有的計算機平臺，結合相應的軟硬件系統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(guān)看立體影像。隨著(zhù)人們對觀(guān)影要求的不斷提高，由非裸眼式向裸眼式的技術(shù)升級成為發(fā)展重點(diǎn)和趨勢。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)現虛擬現實(shí)系統中的虛擬世界，僅有立體顯示技術(shù)是遠遠不夠的，虛擬現實(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)繪制是在當前圖形算法和硬件條件限制下提出的在一定時(shí)間內完成真實(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)世界中對象具有十分相似的幾何外觀(guān)；行為真實(shí)感指建立的對象對于觀(guān)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)”的涵義則包括對運動(dòng)對象位置和姿態(tài)的實(shí)時(shí)計算與動(dòng)態(tài)繪制，畫(huà)面更新達到人眼觀(guān)察不到閃爍的程度，并且系統對用戶(hù)的輸入能立即做出反應并產(chǎn)生相應場(chǎng)景以及事件的同步。它要求當用戶(hù)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)生遲滯現象。

　　三維虛擬聲音的實(shí)現技術(shù)

　　三維虛擬聲音能夠在虛擬場(chǎng)景中使用戶(hù)準確地判斷出聲源的精確位置，符合人們在真實(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)是普遍對聽(tīng)音位置要求較高。

　　人機交互技術(shù)

　　在計算機系統提供的虛擬空間中，人可以使用眼睛、耳朵、皮膚、手勢和語(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)是人對食物和外界最基礎的需要。并且，隨著(zhù)智能移動(dòng)設備的普及，人們的各種基礎需求會(huì )不斷得到滿(mǎn)足。因此，氣味傳送或嗅覺(jué)技術(shù)的現實(shí)應用空間將會(huì )很大，也更能引起人們的興趣。在虛擬現實(shí)領(lǐng)域中較為常用的交互技術(shù)主要有手勢識別、面部表情的識別、眼動(dòng)跟蹤以及語(yǔ)音識別等。

　　碰撞檢測技術(shù)

　　碰撞檢測經(jīng)常用來(lái)檢測對象甲是否與對象乙相互作用。在虛擬世界中，由于用戶(hù)與虛擬世界的交互及虛擬世界中物體的相互運動(dòng)，物體之間經(jīng)常會(huì )出現發(fā)生相碰的情況。為了保證虛擬世界的真實(shí)性，就需要虛擬現實(shí)系統能夠及時(shí)檢測出這些碰撞，產(chǎn)生相應的碰撞反應，并及時(shí)更新場(chǎng)景輸出，否則就會(huì )發(fā)生穿透現象。正是有了碰撞檢測，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。如下圖為虛擬現實(shí)系統中兩輛車(chē)發(fā)生碰撞反應前后的狀態(tài)。

　　在虛擬世界中關(guān)于碰撞，首先要檢測到有碰撞的發(fā)生及發(fā)生碰撞的位置，其次是計算出發(fā)生碰撞后的反應。在虛擬世界中通常有大量的物體，并且這些物體的形狀復雜，要檢測這些物體之間的碰撞是一件十分復雜的事情，其檢測工作量較大，同時(shí)由于虛擬現實(shí)系統中有較高實(shí)時(shí)性的要求，要求碰撞檢測必須在很短的時(shí)間（如 30～50ms）完成，因而碰撞檢測成了虛擬現實(shí)系統與其他實(shí)時(shí)仿真系統的瓶頸，碰撞檢測是虛擬現實(shí)系統研究的一個(gè)重要技術(shù)。

　?。ū疚倪x自《虛擬現實(shí)與增強現實(shí)技術(shù)概論》，作者：婁巖。