浅谈虚拟现实的关键技术

浅谈虚拟现实的关键技术

摘要：为了实现大型设备装置的虚拟操作，培训人员对于大型装置的实际操作能力，节约成本，首先对虚拟现实技术的发展进行了认知与分解，指出了虚拟现实技术中的关键技术难点，基于对虚拟现实技术特征的分析，着重研究了虚拟环境的关键技术，提出了人机交互技术对于虚拟环境的重要作用。

关键词：虚拟现实；人机交互；三维感知；沉浸感；三维图形生成

虚拟现实是一个看似真实的模拟环境，通过多个传感设备，用户是可以根据自身感觉，使用人的自然技能来对虚拟世界中的某物体进行考察或操作，参与其中的一个事件；参与者可以同时对视、听等多种感知进行实时直观的体验，即“身临其境”的感觉。

1. 虚拟现实技术概述

虚拟现实的概念主要包含有以下四个内容：首先，“感知”指的是理想的虚拟现实技术应具备一切人所具有的感知，目前所具备的感知仅局限于触觉、力觉、视觉、听觉、运动等，但不管从感知的范围还是精确程度都无法和人相比拟。其次，“模拟环境”就是由计算机所生成的具有实时动态的、双视点三维立体逼真图像，逼真即要达到三维视觉，包括三维听觉、触觉以及嗅觉等的逼真。然后，“传感设备”就是三维交互设备，经常使用的有数据手套，立体头盔，位置跟踪器，数据衣，三维鼠标等用于用户身上的装置和现实环境中的传感装置，如地板压力传感器、摄像机等。最后“自然

技能”则是人的眼睛、手势、头部转动或其他人的行为动作，由于计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对于用户的输入作出实时响应，同时分别反馈到用户的五官，从而使用户身临其境成为该环境中的一位内部参与者，还可与在该环境中的其它参与者相互打交道。

1.1 虚拟现实的基本特征

虚拟现实系统通过为用户提供触觉、听觉、视觉等自然直观的实时交互的方法，提供一种方便用户操作的先进人机界面，提高了系统的工作效率，减轻用户的负担。美国的burdea g和philippe coiffet两位科学家在题为《virtual reality system and applications》文中提出“虚拟现实技术的三角形”见图1。

由于虚拟现实不只是一种媒介或一个高层终端用户界面，其应用能解决多方面的问题，而在这些应用中，虚拟现实和设计者并行操作，为发挥它们的创造性而设计的，这在很大程度上依赖于人类的想象力。交互性指参与者通过使用特定设备，使用人类的自然技能实现对模拟环境的考察与操作的程度。例如说在虚拟的环境中完成搬动盒子的操作，在搬动的过程中操作者能够感受盒子的重量，从而达到逼真的效果。因此，在虚拟环境中实现的交互操作具备了有效性和实时性[1]。

沉浸感则是虚拟现实中最为重要的技术特征。虚拟现实的追求目标是在该环境中的一切感觉逼真，使用户在计算机所创建的三维虚拟环境中有身临其境的所谓“沉浸感”。从理论上来说，虚拟现

实系统应具备人在客观世界中具有的所有感知功能。用户感觉自己是虚拟环境中的一个部分，他感到被虚拟景物所包围，甚至可在该环境中自由行动并与物体有相互作用。

1.2 虚拟现实的关键技术

虚拟现实涉及到传感器技术、计算机图形技术、多媒体技术、仿真技术及并行实时计算技术等领域，是这些技术更高层次的集成和渗透。

虚拟现实的关键技术主要包括：

（1）立体显示和传感器技术

现有的虚拟现实设备并不能满足系统需要，比方说头盔式三维立体显示器因为刷新频率较慢、跟踪的精度较低、自身过重、操作者眼睛极易疲劳、分辨率也较低、视场不够宽缺点，数据手套、数据衣等又因为延迟较大、分辨率也较低并且操作起来不够便捷等缺点，但是虚拟现实依赖于立体显示和传感器技术的发展，因此我们有必要开发出新的能够满足用户需求的三维显示技术。

（2）应用系统开发工具

寻找较为合适的场合和对象是虚拟现实应用的关键，为了达到如何发挥想象力和创造性，选择适当的应用对象可以极大地提高效率和操作的舒适度，因此研究虚拟现实的开发工具迫在眉睫。比如分布式虚拟现实技术、虚拟现实系统开发平台等。

（3）动态环境建模技术

三维数据的获取可采用cad技术，但是更多情况下则必须采用

非接触式的视觉建模技术，只有两者的有机结合才可以有效提高数据获取的效率。建立虚拟环境是虚现实拟技术的核心，动态环境建模技术目的在于获取实际环境的三维数据，并结合应用需要，通过采用获取的三维数据建立相对应的虚拟环境模型[2]。

（4）实时三维图形生成系统和虚拟现实交互技术

三维图形的生成技术已较成熟，为了达到实时的目的，必须保证图形的刷新频率在15帧/秒和30帧/秒之间。在不降低图形的复杂程度和质量的前提下，如何提高刷新频率是该技术的主要研究内容。通过实时三维图形系统，可生成具有纹理和阴影、三维全彩色、明暗等特征的有逼真感的图像，图形。由此可见，虚拟现实是一种先进的交互式计算机显示技术，通过双向对话为虚拟环境提供了一种新的人机接口。

2.虚拟环境中的人机交互技术

虚拟现实技术成功应用的关键是达到人机交互的自然高效，虚拟环境能够提供给用户身临其境的感知体验，操作者可以在这个虚拟的三维空间中进行各种活动例如娱乐和学习等。

作为一种新的信息展现的形式，它的重要组成部分用户界面是操作者和计算机之间相互传递交换信息的对话接口和媒介。人机交互界面是用户可见的部分，系统包括计算机的系统软件还有其它相关机器。人机互动或称为人机交互（human–machine interaction and human–computer interaction，简称为hmi或hci）是一门研究计算机、人和它们之间相互影响的技术的学科。

在我们的日常生活和生产中，小到收音机的播放按键，大到发电厂的控制室或者飞机上的仪表板，都应用了人机交互技术[3]，同时体现了人机交互界面的易操作性和友好性。

目前，虚拟现实系统发展十分迅速，我们一般将该系统的人机交互概念分成如下的层次结构，图例如图2所示。

输入层是人机交互的硬件基础，主要由二维设备和三维设备组成，比方说鼠标、键盘、眼部跟踪器和数据手套等。事件层是基于输入层，并会随着输入设备的增加而不断丰富事件内容，主要有压力、手势、移动等。交互层主要完成三维交互任务，含有移动、抓取、指向、手势语言和释放等三维动作描述。三维接口层在虚拟现实系统开发中扮演着重要的角色，它是由一组相关的三维交互设备驱动引擎软件包组成，负责三维交互的硬件设备驱动，并且能够把用户的交互信息迅速及时的传送给进行核心控制的计算机。应用层是我们进行上述工作的最终目的和需要完成的任务，比方说仿真决策、cad和娱乐等。

在虚拟现实中，用户和虚拟环境实现三维交互的形式可以通过下图直观形象的反映出来。与二维交互相比，如今的虚拟现实技术发展使得三维交互能够克服二维限制，是人机交互达到直观、真实的效果。

通常情况下，人作为用户在一般的计算机系统中与机器是以对话的方式来进行工作的，人是操作者，而计算机只能够被动的作出相应的动作而已。但是在虚拟现实系统中，为了达到既能够让用户