1.1.3 VR技術(shù)體系

1.1.3

VR技術(shù)的目標(biāo)是由計(jì)算機(jī)生成虛擬世界，用戶可以進(jìn)行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等方面全方位的交互，并且系統(tǒng)能進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)。VR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程包括創(chuàng)建虛擬世界、呈現(xiàn)虛擬世界、感知虛擬世界、與虛擬世界交互。相對應(yīng)的VR技術(shù)體系如圖1-13所示，主要有環(huán)境建模技術(shù)、立體呈現(xiàn)技術(shù)、檢測感知技術(shù)、自然交互技術(shù)等。

1.環(huán)境建模技術(shù)

虛擬環(huán)境建模的目的是設(shè)計(jì)出反映研究對象與環(huán)境的真實(shí)、有效模型。環(huán)境建模技術(shù)一般是指三維視覺建模，主要包括幾何建模、物理建模、行為建模等。

在 VR 技術(shù)中，營造虛擬環(huán)境是基礎(chǔ)。要建立虛擬環(huán)境，首先要建模，然后在其基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制、立體顯示，形成一個(gè)虛擬的世界。環(huán)境建模技術(shù)示例如圖1-14所示。建模先要獲取實(shí)際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，“疊加”物理模型和行為模型的要求，進(jìn)而建立相應(yīng)的虛擬模型。只有設(shè)計(jì)出能反映研究對象真實(shí)、有效的模型，VR系統(tǒng)才有可信度。

2.立體呈現(xiàn)技術(shù)

人類從客觀世界獲得的信息中，80%以上來自視覺。視覺通道是人類感知外部世界、獲取信息的非常重要的傳感通道，也是多重感知的 VR 系統(tǒng)中很重要的環(huán)節(jié)。在視覺顯示技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)立體呈現(xiàn)技術(shù)是較為復(fù)雜與關(guān)鍵的，立體呈現(xiàn)技術(shù)是VR的重要支撐技術(shù)。

目前的立體呈現(xiàn)技術(shù)，基本上是基于雙目視差原理實(shí)現(xiàn)的。人所看到的立體影像，是由于人體兩眼間有距離而有視差，產(chǎn)生有細(xì)微差距的畫面，這兩個(gè)畫面在大腦中融合，產(chǎn)生有空間立體感的物體影像。立體呈現(xiàn)技術(shù)示例如圖1-15所示。在VR技術(shù)體現(xiàn)的立體呈現(xiàn)技術(shù)中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像，分別來自兩個(gè)不同的顯示器，也有的系統(tǒng)采用單個(gè)顯示器，但用戶戴上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數(shù)幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數(shù)幀圖像，這能形成視差從而產(chǎn)生立體感。此外，由于聲音到達(dá)兩只耳朵的時(shí)間或距離有所不同，在水平方向上，我們可以靠聲音的相位差及強(qiáng)度的差別來確定聲音的方向。常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來實(shí)現(xiàn)的。

3.檢測感知技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)盡可能好的沉浸感，理想的 VR 技術(shù)應(yīng)該具有人所具有的一切感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前大多數(shù)VR技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、觸覺等幾種功能。

其中，視覺是人類感知世界的重要通道。目前人們對視覺的研究比較深入，現(xiàn)有的VR系統(tǒng)也能夠?qū)崿F(xiàn)非常逼真的視覺沉浸感。VR系統(tǒng)要帶給人沉浸感，就要做到能讓人在虛擬空間里“自然”運(yùn)動(dòng)，這需要通過運(yùn)動(dòng)跟蹤來改變場景的呈現(xiàn)內(nèi)容。目前的 VR 設(shè)備主要是利用空間定位技術(shù)來捕捉人身體的運(yùn)動(dòng)，用慣性傳感器來捕捉人頭部的運(yùn)動(dòng)。人在轉(zhuǎn)動(dòng)頭部時(shí)，視角會發(fā)生相應(yīng)的變化。如果只跟蹤頭部不跟蹤眼部，容易使人眩暈，而眼部跟蹤技術(shù)以眼部的變化來控制場景的變化，可以解決這一問題。空間定位器設(shè)備和頭部、眼部跟蹤頭盔如圖1-16所示。

此外，用戶想要獲得完全的沉浸感，真正“進(jìn)入”虛擬世界，動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是必需的。人處于虛擬世界，光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)可以確定參與者頭部、四肢等的位置與方向，并通過準(zhǔn)確地跟蹤、測量參與者的動(dòng)作，將這些動(dòng)作實(shí)時(shí)檢測出來，以便將相應(yīng)數(shù)據(jù)反饋給顯示系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)示例如圖1-17所示。

4.自然交互技術(shù)

VR技術(shù)強(qiáng)調(diào)自然交互性，即人處在虛擬世界中，與虛擬世界進(jìn)行交互，甚至意識不到計(jì)算機(jī)的存在，也就是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的虛擬環(huán)境中，人可以使用眼睛、耳朵、手勢和語音等直接與之進(jìn)行交互，這就是虛擬環(huán)境下的自然交互技術(shù)。人們研究 VR 的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“計(jì)算機(jī)應(yīng)該適應(yīng)人，而不是人適應(yīng)計(jì)算機(jī)”，人機(jī)接口的改進(jìn)應(yīng)該基于相對不變的人類特性。較為常用的交互技術(shù)主要有觸覺力學(xué)反饋、語音識別、表情識別、手勢識別、體態(tài)識別等。

比如，在一個(gè) VR 系統(tǒng)中，用戶可以看到一個(gè)虛擬的杯子。用戶可以設(shè)法去抓住它，但是用戶的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是觸覺手套，在手套內(nèi)層安裝一些可以振動(dòng)的觸點(diǎn)來模擬實(shí)現(xiàn)觸覺。觸覺手套如圖1-18所示。

又如，肢體動(dòng)作是人類的重要表達(dá)方式，體態(tài)識別技術(shù)完成了將動(dòng)作數(shù)字化的工作，提供了新的人機(jī)交互手段，比傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)手段更直接、方便，不僅可以實(shí)現(xiàn)手勢識別，還能使操作者以自然的動(dòng)作直接控制計(jì)算機(jī)，并為最終實(shí)現(xiàn)可以理解人類動(dòng)作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和機(jī)器人提供技術(shù)基礎(chǔ)。體感試衣如圖1-19所示，可以運(yùn)用體態(tài)識別技術(shù)體驗(yàn)穿衣搭配的效果。