虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)核心技術(shù)解析

　　虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。是由計算機生成虛擬世界，用戶能夠進(jìn)行視覺、聽覺、觸覺、力覺、嗅覺、味覺等全方位交互。現(xiàn)階段在計算機的運行速度達(dá)不到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所需要的情況下，相關(guān)技術(shù)就顯得尤為重要。要生成一個三維場景，并使場景圖像能隨視角不同實時地顯示變化，只有設(shè)備還不夠的，還要有相應(yīng)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際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)其應(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。只有設(shè)計出反映研究對象的真實有效的模型，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)才有可信度。

　　虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境，可能有下列幾種情況：

　?。?）模仿真實世界中的環(huán)境（系統(tǒng)仿真）。

　　（2）人類主觀構(gòu)造的環(huán)境。

　?。?）模仿真實世界中人類不可見的環(huán)境（科學(xué)可視化）。

　　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?、物理建模、行為建模。

　　立體顯示技術(shù)

　　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。因此，有必要研究立體成像技術(shù)并利用現(xiàn)有的計算機平臺，結(jié)合相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)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。目前比較有代表性的技術(shù)有：分色技術(shù)、分光技術(shù)、分時技術(shù)、光柵技術(shù)、全息顯示技術(shù)。

　　真實感實時繪制技術(shù)

　　要實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的虛擬世界，僅有立體顯示技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，虛擬現(xiàn)實中還有真實感與實時性的要求，也就是說虛擬世界的產(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(dāng)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)?！罢鎸嵏小钡暮x包括幾何真實感、行為真實感和光照真實感。幾何真實感指與描述的真實世界中對象具有十分相似的幾何外觀；行為真實感指建立的對象對于觀察者而言在某些意義上是完全真實的；光照真實感指模型對象與光源相互作用產(chǎn)生的與真實世界中亮度和明暗一致的圖像。而“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(dá)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。它要求當(dāng)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。

　　三維虛擬聲音的實現(xiàn)技術(shù)

　　三維虛擬聲音能夠在虛擬場景中使用戶準(zhǔn)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)的價值在于使用兩個音箱模擬出環(huán)繞聲的效果，雖然不能和真正的家庭影院相比，但是在最佳的聽音位置上效果是可以接受的，其缺點是普遍對聽音位置要求較高。

　　人機交互技術(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)。在虛擬相關(guān)技術(shù)中嗅覺和味覺技術(shù)的開發(fā)處于探索階段，而恰恰這兩種感覺是人對食物和外界最基礎(chǔ)的需要。并且，隨著智能移動設(shè)備的普及，人們的各種基礎(chǔ)需求會不斷得到滿足。因此，氣味傳送或嗅覺技術(shù)的現(xiàn)實應(yīng)用空間將會很大，也更能引起人們的興趣。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。

　　碰撞檢測技術(shù)

　　碰撞檢測經(jīng)常用來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。為了保證虛擬世界的真實性，就需要虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠及時檢測出這些碰撞，產(chǎn)生相應(yīng)的碰撞反應(yīng)，并及時更新場景輸出，否則就會發(fā)生穿透現(xiàn)象。正是有了碰撞檢測，才可以避免諸如人穿墻而過等不真實情況的發(fā)生，影響虛擬世界的真實感。如下圖為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中兩輛車發(fā)生碰撞反應(yīng)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(yīng)。在虛擬世界中通常有大量的物體，并且這些物體的形狀復(fù)雜，要檢測這些物體之間的碰撞是一件十分復(fù)雜的事情，其檢測工作量較大，同時由于虛擬現(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)。