虛擬現實相關的核心技術

當前虛擬現實系統的核心技術，其中包括：與交互體驗相關的力反饋技術、動作捕捉技術，3D 立體技術等，共計 15 項。

如果您對虛擬現實系統感興趣，并想了解、學習與虛擬現實相關的核心技術，本篇梳理值得您收藏。

計算機圖形學

計算機圖形學主要研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法。

處理技術上，圖形主要分為兩類：

一類是由線條組成的圖形，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等;

另一類是類似于照片的明暗圖 (Shading)，也就是通常所說的真實感圖形。

仿真技術

以控制論、系統論、相似原理和信息技術為基礎，以計算機和專用設備為工具，利用系統模型對實際的 或設想的系統進行動態試驗。

如：汽車或飛機的駕駛訓練模擬器，即應用仿真技術。

三維虛擬聲音的實現技術

三維虛擬聲音在虛擬場景中，使用戶能夠準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。

虛擬環繞聲技術價值在于：使用兩個音箱模擬出環繞聲的效果，不過無法和真正的家庭影院相比，此外，該技術普遍對聽音位置要求較高。

碰撞檢測技術

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，物體之間經常會出現發生相碰的情況。

所以，碰撞檢測經常用來檢測兩對象是否相互作用，以保證虛擬世界的真實性，并及時更新場景輸出，否則就會發生穿透現象。

由于虛擬現實系統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實系統與其他實時仿真系統的瓶頸，碰撞檢測是虛擬現實系統研究的一個重要技術。

三維建模技術

三維建模一般主要是三維視覺建模。三維視覺建模可分為幾何建模、物理建模、行為建模。

常見有 Autodesk 旗下的 3DMAX、MAYA 以及工業領域常用的法國達索集團的 CATIA 和 SolidWorks、美國 PTC 公司的 Pro/Engineer、西門子公司的 UG(Unigraphics NX)等。

三維顯示技術

三維顯示技術更多的是硬件相關的，如立體投影設備、立體顯示器、VR 頭盔、VR 眼鏡等。

力反饋技術

與交互體驗相關的技術。

力反饋主要通過各種高精尖馬達和傳感器配合來進行觸覺的模擬。

初級比如游戲手柄的震動反饋，進階級比如用于物理康復訓練的相關設備，工業級用于裝配維修模擬的力反饋設備，甚至是用于遠程醫療和醫療科研相關的力反饋設備。

動作捕捉技術

這是與交互體驗相關的技術。

動作技術涉及尺寸測量、物理空間里物體的定位及方位測定等方面可以由計算機直接理解處理的數據。在運動物體的關鍵部位設置跟蹤器，由 Motion capture 系統捕捉跟蹤器位置，再經過計算機處理后得到三維空間坐標的數據。

常用的運動捕捉技術從原理上說可分為機械式、聲學式、電磁式、主動光學式和被動光學式。

環境建模技術

即虛擬環境的建立，目的是獲取實際三維環境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。

立體聲合成和立體顯示技術

技術在虛擬現實系統中消除聲音的方向與用戶頭部運動的相關性，同時在復雜的場景中實時生成立體圖形。

立體顯示是虛擬現實的關鍵技術之一，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。

目前，立體顯示技術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升級成為發展重點和趨勢。

比較有代表性的技術有：分色技術、分光技術、分時技術、光柵技術、全息顯示技術。

交互技術

在計算機系統提供的虛擬空間中，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生交互，這就是虛擬環境下的人機自然交互技術。

在虛擬現實領域中較為常用的交互技術主要有手勢識別、面部表情的識別、眼動跟蹤以及語音識別等。

系統集成技術

由于虛擬現實系統中包括大量的感知信息和模型，因此系統的集成技術為重中之重：包括信息同步技術、模型標定技術、數據轉換技術、識別和合成技術等等。

動態環境建模技術

虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容。

動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。

三維數據的獲取可以采用 CAD 技術(有規則的環境)，而更多的環境則需要采用非接觸式的視覺建模技術，兩者的有機結合可以有效地提高數據獲取的效率。

實時三維圖形生成技術

三維圖形的生成技術已經較為成熟，但何時達成實時是關鍵。

為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于 15 楨/秒，最好是高于 30 楨/秒。

在不降低圖形的質量和復雜度的前提下，如何提高刷新頻率是該技術的研究內容。

立體顯示和傳感器技術

虛擬現實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術的發展。

現有的虛擬現實還遠遠不能滿足系統的需要，例如，數據手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點;虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高，因此有必要開發新的三維顯示技術。

真實感實時繪制技術

虛擬世界的產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。

真實感實時繪制是在當前圖形算法和硬件條件限制下提出的在一定時間內完成真實感繪制的技術。

“真實感”的涵義包括幾何真實感、行為真實感和光照真實感。

“實時”的涵義則包括對運動對象位置和姿態的實時計算與動態繪制，畫面更新達到人眼觀察不到閃爍的程度，并且系統對用戶的輸入能立即做出反應并產生相應場景以及事件的同步。

要求當用戶的視點改變時，圖形顯示速度也必須跟上視點的改變速度，否則就會產生遲滯現象。