虛擬現實(shí)相關(guān)的核心技術(shù)

當前虛擬現實(shí)系統的核心技術(shù)，其中包括：與交互體驗相關(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 15 項。

如果您對虛擬現實(shí)系統感興趣，并想了解、學(xué)習與虛擬現實(shí)相關(guān)的核心技術(shù)，本篇梳理值得您收藏。

計算機圖形學(xué)

計算機圖形學(xué)主要研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進(jìn)行圖形的計算、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(lèi)：

一類(lèi)是由線(xiàn)條組成的圖形，如工程圖、等高線(xiàn)地圖、曲面的線(xiàn)框圖等;

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

仿真技術(shù)

以控制論、系統論、相似原理和信息技術(shù)為基礎，以計算機和專(zhuān)用設備為工具，利用系統模型對實(shí)際的 或設想的系統進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗。

如：汽車(chē)或飛機的駕駛訓練模擬器，即應用仿真技術(shù)。

三維虛擬聲音的實(shí)現技術(shù)

三維虛擬聲音在虛擬場(chǎng)景中，使用戶(hù)能夠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)價(jià)值在于：使用兩個(gè)音箱模擬出環(huán)繞聲的效果，不過(guò)無(wú)法和真正的家庭影院相比，此外，該技術(shù)普遍對聽(tīng)音位置要求較高。

碰撞檢測技術(shù)

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。

所以，碰撞檢測經(jīng)常用來(lái)檢測兩對象是否相互作用，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)生穿透現象。

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)。

三維建模技術(shù)

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。

常見(jiàn)有 Autodesk 旗下的 3DMAX、MAYA 以及工業(yè)領(lǐng)域常用的法國達索集團的 CATIA 和 SolidWorks、美國 PTC 公司的 Pro/Engineer、西門(mén)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，如立體投影設備、立體顯示器、VR 頭盔、VR 眼鏡等。

力反饋技術(shù)

與交互體驗相關(guān)的技術(shù)。

力反饋主要通過(guò)各種高精尖馬達和傳感器配合來(lái)進(jìn)行觸覺(jué)的模擬。

初級比如游戲手柄的震動(dòng)反饋，進(jìn)階級比如用于物理康復訓練的相關(guān)設備，工業(yè)級用于裝配維修模擬的力反饋設備，甚至是用于遠程醫療和醫療科研相關(guān)的力反饋設備。

動(dòng)作捕捉技術(shù)

這是與交互體驗相關(guān)的技術(shù)。

動(dòng)作技術(shù)涉及尺寸測量、物理空間里物體的定位及方位測定等方面可以由計算機直接理解處理的數據。在運動(dòng)物體的關(guān)鍵部位設置跟蹤器，由 Motion capture 系統捕捉跟蹤器位置，再經(jīng)過(guò)計算機處理后得到三維空間坐標的數據。

常用的運動(dòng)捕捉技術(shù)從原理上說(shuō)可分為機械式、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)境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環(huán)境模型。

立體聲合成和立體顯示技術(shù)

技術(shù)在虛擬現實(shí)系統中消除聲音的方向與用戶(hù)頭部運動(dòng)的相關(guān)性，同時(shí)在復雜的場(chǎng)景中實(shí)時(shí)生成立體圖形。

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。

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。

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。

系統集成技術(shù)

由于虛擬現實(shí)系統中包括大量的感知信息和模型，因此系統的集成技術(shù)為重中之重：包括信息同步技術(shù)、模型標定技術(shù)、數據轉換技術(shù)、識別和合成技術(shù)等等。

動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

虛擬環(huán)境的建立是虛擬現實(shí)技術(shù)的核心內容。

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

三維數據的獲取可以采用 CAD 技術(shù)(有規則的環(huán)境)，而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺(jué)建模技術(shù)，兩者的有機結合可以有效地提高數據獲取的效率。

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)達成實(shí)時(shí)是關(guān)鍵。

為了達到實(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)量和復雜度的前提下，如何提高刷新頻率是該技術(shù)的研究?jì)热荨?/p>

立體顯示和傳感器技術(shù)

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

現有的虛擬現實(shí)還遠遠不能滿(mǎn)足系統的需要，例如，數據手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點(diǎn);虛擬現實(shí)設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高，因此有必要開(kāi)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。

“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。

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。