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一篇文章梳理完虚拟现实相关的核心技术

2017-05-17

本文梳理与虚拟现实相关的核心技术。其中包括:计算机图形学,仿真技术,三维虚拟声音的实现技术,碰撞检测技术,三维建模技术,三维显示技术,力反馈技术,动作捕捉技术,环境建模技术等,共计15项。

计算机图形学
计算机图形学主要研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。
处理技术上,图形主要分为两类:
一类是由线条组成的图形,如工程图、等高线地图、曲面的线框图等;另一类是类似于照片的明暗图 (Shading),也就是通常所说的真实感图形。

仿真技术
以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础,以计算机和专用设备为工具,利用系统模型对实际的 或设想的系统进行动态试验。如:汽车或飞机的驾驶训练模拟器,即应用仿真技术。

三维虚拟声音的实现技术
三维虚拟声音在虚拟场景中,使用户能够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。虚拟环绕声技术价值在于:使用两个音箱模拟出环绕声的效果,不过无法和真正的家庭影院相比,此外,该技术普遍对听音位置要求较高。

碰撞检测技术
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。
所以,碰撞检测经常用来检测两对象是否相互作用,以保证虚拟世界的真实性,并及时更新场景输出,否则就会发生穿透现象。
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。

三维建模技术
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。
常见有 Autodesk 旗下的 3DMAX、MAYA 以及工业领域常用的法国达索集团的 CATIA 和 SolidWorks、美国 PTC 公司的 Pro/Engineer、西门子公司的 UG(Unigraphics NX)等。

三维显示技术
三维显示技术更多的是硬件相关的,如立体投影设备、立体显示器、VR 头盔、VR 眼镜等。

力反馈技术
与交互体验相关的技术。力反馈主要通过各种高精尖马达和传感器配合来进行触觉的模拟。
初级比如游戏手柄的震动反馈,进阶级比如用于物理康复训练的相关设备,工业级用于装配维修模拟的力反馈设备,甚至是用于远程医疗和医疗科研相关的力反馈设备。

动作捕捉技术
这是与交互体验相关的技术。
动作技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计算机直接理解处理的数据。在运动物体的关键部位设置跟踪器,由 Motion capture 系统捕捉跟踪器位置,再经过计算机处理后得到三维空间坐标的数据。常用的运动捕捉技术从原理上说可分为机械式、声学式、电磁式、主动光学式和被动光学式。

环境建模技术
即虚拟环境的建立,目的是获取实际三维环境的三维数据,并根据应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。

立体声合成和立体显示技术
技术在虚拟现实系统中消除声音的方向与用户头部运动的相关性,同时在复杂的场景中实时生成立体图形。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。
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。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。

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。

系统集成技术
由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型,因此系统的集成技术为重中之重:包括信息同步技术、模型标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等等。

动态环境建模技术
虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。
三维数据的获取可以采用 CAD 技术(有规则的环境),而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术,两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。

实时三维图形生成技术
三维图形的生成技术已经较为成熟,但何时达成实时是关键。为了达到实时的目的,至少要保证图形的刷新率不低于 15 桢/秒,最好是高于 30 桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下,如何提高刷新频率是该技术的研究内容。

立体显示和传感器技术 
虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要,例如,数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点;虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高,因此有必要开发新的三维显示技术。

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