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虚拟现实系统核心技术解析

供稿:中国工控网 2017/11/7 16:13:34

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  • 关键词: 虚拟现实
  • 摘要:虚拟现实系统主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。是由计算机生成虚拟世界,用户能够进行视觉、听觉、触觉、力觉、嗅觉、味觉等全方位交互。现阶段在计算机的运行速度达不到虚拟现实系统所需要的情况下,相关技术就显得尤为重要。要生成一个三维场景,并使场景图像能随视角不同实时地显示变化,只有设备还不够的,还要有相应的技术理论相支持。

  虚拟现实系统主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。是由计算机生成虚拟世界,用户能够进行视觉、听觉、触觉、力觉、嗅觉、味觉等全方位交互。现阶段在计算机的运行速度达不到虚拟现实系统所需要的情况下,相关技术就显得尤为重要。要生成一个三维场景,并使场景图像能随视角不同实时地显示变化,只有设备还不够的,还要有相应的技术理论相支持。

  三维建模技术

  虚拟环境建模的目的在于获取实际三维环境的三维数据,并根据其应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。只有设计出反映研究对象的真实有效的模型,虚拟现实系统才有可信度。

  虚拟现实系统中的虚拟环境,可能有下列几种情况:

  (1)模仿真实世界中的环境(系统仿真)。

  (2)人类主观构造的环境。

  (3)模仿真实世界中人类不可见的环境(科学可视化)。

  三维建模一般主要是三维视觉建模。三维视觉建模可分为几何建模、物理建模、行为建模。

  立体显示技术

  立体显示是虚拟现实的关键技术之一,它使人在虚拟世界里具有更强的沉浸感,立体显示的引入可以使各种模拟器的仿真更加逼真。因此,有必要研究立体成像技术并利用现有的计算机平台,结合相应的软硬件系统在平面显示器上显示立体视景。目前,立体显示技术主要以佩戴立体眼镜等辅助工具来观看立体影像。随着人们对观影要求的不断提高,由非裸眼式向裸眼式的技术升级成为发展重点和趋势。目前比较有代表性的技术有:分色技术、分光技术、分时技术、光栅技术、全息显示技术。

  真实感实时绘制技术

  要实现虚拟现实系统中的虚拟世界,仅有立体显示技术是远远不够的,虚拟现实中还有真实感与实时性的要求,也就是说虚拟世界的产生不仅需要真实的立体感,而且虚拟世界还必须实时生成,这就必须要采用真实感实时绘制技术。

  真实感实时绘制是在当前图形算法和硬件条件限制下提出的在一定时间内完成真实感绘制的技术。“真实感”的涵义包括几何真实感、行为真实感和光照真实感。几何真实感指与描述的真实世界中对象具有十分相似的几何外观;行为真实感指建立的对象对于观察者而言在某些意义上是完全真实的;光照真实感指模型对象与光源相互作用产生的与真实世界中亮度和明暗一致的图像。而“实时”的涵义则包括对运动对象位置和姿态的实时计算与动态绘制,画面更新达到人眼观察不到闪烁的程度,并且系统对用户的输入能立即做出反应并产生相应场景以及事件的同步。它要求当用户的视点改变时,图形显示速度也必须跟上视点的改变速度,否则就会产生迟滞现象。

  三维虚拟声音的实现技术

  三维虚拟声音能够在虚拟场景中使用户准确地判断出声源的精确位置,符合人们在真实境界中听觉方式。虚拟环绕声技术的价值在于使用两个音箱模拟出环绕声的效果,虽然不能和真正的家庭影院相比,但是在最佳的听音位置上效果是可以接受的,其缺点是普遍对听音位置要求较高。

  人机交互技术

  在计算机系统提供的虚拟空间中,人可以使用眼睛、耳朵、皮肤、手势和语音等各种感觉方式直接与之发生交互,这就是虚拟环境下的人机自然交互技术。在虚拟相关技术中嗅觉和味觉技术的开发处于探索阶段,而恰恰这两种感觉是人对食物和外界最基础的需要。并且,随着智能移动设备的普及,人们的各种基础需求会不断得到满足。因此,气味传送或嗅觉技术的现实应用空间将会很大,也更能引起人们的兴趣。在虚拟现实领域中较为常用的交互技术主要有手势识别、面部表情的识别、眼动跟踪以及语音识别等。

  碰撞检测技术

  碰撞检测经常用来检测对象甲是否与对象乙相互作用。在虚拟世界中,由于用户与虚拟世界的交互及虚拟世界中物体的相互运动,物体之间经常会出现发生相碰的情况。为了保证虚拟世界的真实性,就需要虚拟现实系统能够及时检测出这些碰撞,产生相应的碰撞反应,并及时更新场景输出,否则就会发生穿透现象。正是有了碰撞检测,才可以避免诸如人穿墙而过等不真实情况的发生,影响虚拟世界的真实感。如下图为虚拟现实系统中两辆车发生碰撞反应前后的状态。

  在虚拟世界中关于碰撞,首先要检测到有碰撞的发生及发生碰撞的位置,其次是计算出发生碰撞后的反应。在虚拟世界中通常有大量的物体,并且这些物体的形状复杂,要检测这些物体之间的碰撞是一件十分复杂的事情,其检测工作量较大,同时由于虚拟现实系统中有较高实时性的要求,要求碰撞检测必须在很短的时间(如30~50ms)完成,因而碰撞检测成了虚拟现实系统与其他实时仿真系统的瓶颈,碰撞检测是虚拟现实系统研究的一个重要技术。

审核编辑(王静)
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