1.1.3 VR技术体系

1.1.3

VR技术的目标是由计算机生成虚拟世界，用户可以进行视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等方面全方位的交互，并且系统能进行实时响应。VR技术的实现过程包括创建虚拟世界、呈现虚拟世界、感知虚拟世界、与虚拟世界交互。相对应的VR技术体系如图1-13所示，主要有环境建模技术、立体呈现技术、检测感知技术、自然交互技术等。

1.环境建模技术

虚拟环境建模的目的是设计出反映研究对象与环境的真实、有效模型。环境建模技术一般是指三维视觉建模，主要包括几何建模、物理建模、行为建模等。

在 VR 技术中，营造虚拟环境是基础。要建立虚拟环境，首先要建模，然后在其基础上进行实时绘制、立体显示，形成一个虚拟的世界。环境建模技术示例如图1-14所示。建模先要获取实际三维环境的三维数据，并根据应用的需要，“叠加”物理模型和行为模型的要求，进而建立相应的虚拟模型。只有设计出能反映研究对象真实、有效的模型，VR系统才有可信度。

2.立体呈现技术

人类从客观世界获得的信息中，80%以上来自视觉。视觉通道是人类感知外部世界、获取信息的非常重要的传感通道，也是多重感知的 VR 系统中很重要的环节。在视觉显示技术中，实现立体呈现技术是较为复杂与关键的，立体呈现技术是VR的重要支撑技术。

目前的立体呈现技术，基本上是基于双目视差原理实现的。人所看到的立体影像，是由于人体两眼间有距离而有视差，产生有细微差距的画面，这两个画面在大脑中融合，产生有空间立体感的物体影像。立体呈现技术示例如图1-15所示。在VR技术体现的立体呈现技术中，双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像，分别来自两个不同的显示器，也有的系统采用单个显示器，但用户戴上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，这能形成视差从而产生立体感。此外，由于声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同，在水平方向上，我们可以靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的。

3.检测感知技术

为了实现尽可能好的沉浸感，理想的 VR 技术应该具有人所具有的一切感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前大多数VR技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、触觉等几种功能。

其中，视觉是人类感知世界的重要通道。目前人们对视觉的研究比较深入，现有的VR系统也能够实现非常逼真的视觉沉浸感。VR系统要带给人沉浸感，就要做到能让人在虚拟空间里“自然”运动，这需要通过运动跟踪来改变场景的呈现内容。目前的 VR 设备主要是利用空间定位技术来捕捉人身体的运动，用惯性传感器来捕捉人头部的运动。人在转动头部时，视角会发生相应的变化。如果只跟踪头部不跟踪眼部，容易使人眩晕，而眼部跟踪技术以眼部的变化来控制场景的变化，可以解决这一问题。空间定位器设备和头部、眼部跟踪头盔如图1-16所示。

此外，用户想要获得完全的沉浸感，真正“进入”虚拟世界，动作捕捉系统是必需的。人处于虚拟世界，光学动作捕捉系统可以确定参与者头部、四肢等的位置与方向，并通过准确地跟踪、测量参与者的动作，将这些动作实时检测出来，以便将相应数据反馈给显示系统和控制系统。光学动作捕捉系统示例如图1-17所示。

4.自然交互技术

VR技术强调自然交互性，即人处在虚拟世界中，与虚拟世界进行交互，甚至意识不到计算机的存在，也就是在计算机系统提供的虚拟环境中，人可以使用眼睛、耳朵、手势和语音等直接与之进行交互，这就是虚拟环境下的自然交互技术。人们研究 VR 的目标是实现“计算机应该适应人，而不是人适应计算机”，人机接口的改进应该基于相对不变的人类特性。较为常用的交互技术主要有触觉力学反馈、语音识别、表情识别、手势识别、体态识别等。

比如，在一个 VR 系统中，用户可以看到一个虚拟的杯子。用户可以设法去抓住它，但是用户的手没有真正接触杯子的感觉，并有可能穿过虚拟杯子的“表面”，而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是触觉手套，在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟实现触觉。触觉手套如图1-18所示。

又如，肢体动作是人类的重要表达方式，体态识别技术完成了将动作数字化的工作，提供了新的人机交互手段，比传统的键盘、鼠标手段更直接、方便，不仅可以实现手势识别，还能使操作者以自然的动作直接控制计算机，并为最终实现可以理解人类动作的计算机系统和机器人提供技术基础。体感试衣如图1-19所示，可以运用体态识别技术体验穿衣搭配的效果。