虛擬現(xiàn)實相關(guān)的核心技術(shù)

當前虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)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)、動作捕捉技術(shù)，3D 立體技術(shù)等，共計 15 項。

如果您對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)感興趣，并想了解、學習與虛擬現(xiàn)實相關(guān)的核心技術(shù)，本篇梳理值得您收藏。

計算機圖形學

計算機圖形學主要研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、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：

一類是由線條組成的圖形，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等;

另一類是類似于照片的明暗圖 (Shading)，也就是通常所說的真實感圖形。

仿真技術(shù)

以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和專用設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的 或設(shè)想的系統(tǒng)進行動態(tài)試驗。

如：汽車或飛機的駕駛訓練模擬器，即應(yīng)用仿真技術(shù)。

三維虛擬聲音的實現(xiàn)技術(shù)

三維虛擬聲音在虛擬場景中，使用戶能夠準確地判斷出聲源的精確位置，符合人們在真實境界中聽覺方式。

虛擬環(huán)繞聲技術(shù)價值在于：使用兩個音箱模擬出環(huán)繞聲的效果，不過無法和真正的家庭影院相比，此外，該技術(shù)普遍對聽音位置要求較高。

碰撞檢測技術(shù)

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動，物體之間經(jīng)常會出現(xiàn)發(fā)生相碰的情況。

所以，碰撞檢測經(jīng)常用來檢測兩對象是否相互作用，以保證虛擬世界的真實性，并及時更新場景輸出，否則就會發(fā)生穿透現(xiàn)象。

由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中有較高實時性的要求，要求碰撞檢測必須在很短的時間(如 30～50ms)完成，因而碰撞檢測成了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與其他實時仿真系統(tǒng)的瓶頸，碰撞檢測是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)研究的一個重要技術(shù)。

三維建模技術(shù)

三維建模一般主要是三維視覺建模。三維視覺建?？煞譃閹缀谓！⑽锢斫?、行為建模。

常見有 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(shè)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)。

力反饋主要通過各種高精尖馬達和傳感器配合來進行觸覺的模擬。

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

動作捕捉技術(shù)

這是與交互體驗相關(guān)的技術(shù)。

動作技術(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(shù)據(jù)。在運動物體的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤器，由 Motion capture 系統(tǒng)捕捉跟蹤器位置，再經(jīng)過計算機處理后得到三維空間坐標的數(shù)據(jù)。

常用的運動捕捉技術(shù)從原理上說可分為機械式、聲學式、電磁式、主動光學式和被動光學式。

環(huán)境建模技術(shù)

即虛擬環(huán)境的建立，目的是獲取實際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)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。

立體聲合成和立體顯示技術(shù)

技術(shù)在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中消除聲音的方向與用戶頭部運動的相關(guān)性，同時在復雜的場景中實時生成立體圖形。

立體顯示是虛擬現(xiàn)實的關(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觀看立體影像。隨著人們對觀影要求的不斷提高，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(tǒng)提供的虛擬空間中，人可以使用眼睛、耳朵、皮膚、手勢和語音等各種感覺方式直接與之發(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(xiàn)實領(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、眼動跟蹤以及語音識別等。

系統(tǒng)集成技術(shù)

由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、識別和合成技術(shù)等等。

動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心內(nèi)容。

動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)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。

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

實時三維圖形生成技術(shù)

三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但何時達成實時是關(guān)鍵。

為了達到實時的目的，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)的研究內(nèi)容。

立體顯示和傳感器技術(shù)

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

現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實還遠遠不能滿足系統(tǒng)的需要，例如，數(shù)據(jù)手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點;虛擬現(xiàn)實設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高，因此有必要開發(fā)新的三維顯示技術(shù)。

真實感實時繪制技術(shù)

虛擬世界的產(chǎn)生不僅需要真實的立體感，而且虛擬世界還必須實時生成，這就必須要采用真實感實時繪制技術(shù)。

真實感實時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間內(nèi)完成真實感繪制的技術(shù)。

“真實感”的涵義包括幾何真實感、行為真實感和光照真實感。

“實時”的涵義則包括對運動對象位置和姿態(tài)的實時計算與動態(tài)繪制，畫面更新達到人眼觀察不到閃爍的程度，并且系統(tǒng)對用戶的輸入能立即做出反應(yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)場景以及事件的同步。

要求當用戶的視點改變時，圖形顯示速度也必須跟上視點的改變速度，否則就會產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象。