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虚拟现实就在你身边

虚拟技术的世界

虚拟现实是近年来新兴的具有广泛应用前景的技术。目前,虚拟现实技术已经广泛应用于娱乐游戏,建筑设计,医疗等领域。本文从虚拟现实技术的概念,特性,应用领域出发,介绍了实现虚拟现实所必需的关键技术,然后又介绍了虚拟现实的近期的热点研究方向,比如三维模型技术,三维模型水印技术,分布式虚拟环境通信等技术。


Virtual reality is an emerging technology in recent years that has broad application prospects. Currently, virtual realitytechnology has been widely used in entertainment games, architectural design, medical and other fields. Based on the concept of virtual reality technology, special character, applications, this paper introduces the key technology of virtual reality and recent hot issue research of virtual reality. Such as three-dimensional modeling techniques, 3D models watermarking technology, distributed virtual environmental communications technologies.


1 概述
  虚拟现实是采用以计算机技术为核心的现代先进技术生成的逼真的视觉,听觉,触觉一体化的虚拟环境,用户可以通过必要的输入输出设备与虚拟环境中的物体进行交互,相互影响,进而获得身临其境的感受与体验。这种由计算机生成的虚拟环境可以是某一特定客观世界的再现,也可以是纯粹虚构的世界。输入输出设备包括立体头盔显示器,数据手套,数据衣服等穿戴式设备,还包括不直接穿戴在身上的传感设备。用户对虚拟现实的交互包括手的移动,头的转动等,虚拟现实中的物体能做出实时的反馈。虚拟现实有三个特性,它们分别是沉浸性,交互性,想象性。沉浸性,是指用户感觉到好像完全处于虚拟现实中一样,被虚拟世界包围。理想的虚拟现实可以让用户难辨真假。交互性,是指用户与虚拟世界以自然的方式进行交互,通过人的肢体运动以及特定的硬件设备感受来自虚拟世界的实时反馈。想象性,是指虚拟环境是人想象出来的,同时这种想象体现了设计中的相应的思想,因而可以用来实现一定的目标


2虚拟现实的关键技术

要实现一个虚拟现实系统既需要功能强大的特定的硬件支持,还需要相应的软件和技术来配合。


3虚拟现实特性

虚拟现实的应用领域非常广,可以用在军事,医学,娱乐,学习,科技开发等等领域。医疗领域如虚拟手术系统,用于指导手术的进行。军事领域,如利用虚拟现实技术模拟战争来研究作战方案,培训指导员等。娱乐领域,如玩家通过虚拟现实头盔得到震撼的游戏体验。学习领域,比如远程沉浸学习,协同学习等。


立体显示

人类从现实世界获取的信息中有80%来自视觉。立体视觉显示技术是虚拟现实中重要的支持技术,而且要实现完美的立体显示技术较为复杂。我们之所以感受到立体物体,是由于人的左右眼得到的图像相似但有细微差异,大脑对其进行融合产生空间感。我们借助特定的硬件设备,使左右眼观察到细微差异的图像,从而恢复出三维深度信息。下面介绍几种具体的立体显示实现技术。1)偏振光眼镜法。它利用了光是一种横波以及偏振光只能通过特定方向的狭缝的特点。在电影放映时,两个电影机同时放映两个画面,重叠在一个屏幕上,镜头前装有相差90度的偏振片。观众的左右眼分别戴在偏振轴互为90度的,并与放映画面的偏振光相应方向的偏振镜片,从而形成立体效果。2)彩色眼镜法。它主要利用滤光片只能通过相同颜色光线的特点,让左右眼戴不同颜色的滤光片,从而左右眼看到不同的影像,实现立体显示。但这种方法使人两眼的色觉不平衡,观众容易产生疲劳。⑶裸眼立体显示。三维立体液晶显示技术巧妙结合了双眼的视觉差和图片三维的原理。自动生成了两幅图片,由于双眼观看液晶的角度不同,左右眼看到不同的图像,因此不要戴上立体眼镜就可以看到立体图像。⑷串行式立体显示法。它是一种分时的串行立体显示技术,它以一定的频率交替显示两幅图像,用户通过以相同频率同步切换的眼镜来观察图像,左右眼只能看到相应的图像。眼镜的开关转换频率对图像的立体效果起着关键性的作用。若转换频率太低,人眼不能感受到图像的连续,若转换频率太高,会产生干扰现象。一般来说,转换频率控制在4060/秒较为适合。


5实时绘制技术

为了在计算机中重现真实世界,需要模拟真实物体的物理属性,比如物体表面的纹理和粗糙程度等。真实感绘制技术就是为解决这个问题而提出的。另外因为用户在虚拟环境中会从不同视角观察物体,所以我们需要实时绘制物体,跟上用户视角转变的速度。实时绘制技术可以分为两种,一种是基于几何图形的实时绘制技术,另一种是基于图像的实时绘制技术。第一种绘制方法就是用曲线,曲面等数学模型预习定义好虚拟场景的几何轮廓,再采用纹理映射,光照等数学模型加以渲染。但是这种方法费时费力,对计算机硬件性能要求高。第二种方法是直接用图像来实现复杂环境的实时动态显示。它是从一系列已知的图像中生成未知视角的图像。具体来说是基于一些预先生成的场景图像,对接近于视点的图像进行变换,插值与变形,从而快速得到当前视点处的场景画面。基于图像的绘制相关技术主要有全景技术,图像的插值及视图变换技术 为了提高显示的逼真度,常采用纹理映射,环境映照,反走样等方法。纹理映射是将纹理图像贴在简单物体的几何表面,近似描述物体表面的纹理细节,加强真实性。它是一种简单有效改善真实性的方法。环境映照在纹理映射的基础上,采用纹理图像来表示物体表面的镜面反射和规则投射效果。反走样是为了对抗因为图像的像素形状造成的失真现象。反走样方法实质上是提高像素的密度。由于三维模型包含较多的二维图像信息,虚拟场景越复杂,其数据量越大。为了保证三维模型能实现刷新率不低于30帧/秒,提出了几种降低场景复杂度的方法:3D剪切,可见消隐,细节层次模型等。3D剪切将一个复杂的场景划分成若干子场景,对不可见物体和部分可见物体上的不可见部分进行剪切,从而减少计算量。可见消隐与用户的视点有关,系统仅显示用户当前能看见的场景,可以大大减少所需显示的多边形数目。细节层次模型使用具有不同细节的描述方法得到一组模型,对场景中不同的物体采用不同的细节描述方法。简单的模型采用简单的描述方法,便于减少计算量。



6建模技术

要建立虚拟现实环境,首先要对环境进行建模,然后在建模的基础上再进行实时绘制,立体显示,从而形成一个虚拟世界。这里的虚拟环境既可以是模拟真实世界中的环境,也可以是人的主观构造环境,还可以是人类不可见的环境。虚拟环境中的物体要有良好的操作性能,当用户与物体交互时,物体必须做出相应的反应。目前主要的环境建模是三维视觉建模和三维听觉建模。其中三维视觉建模又可以分为几何建模,物理建模,行为建模等。下面主要介绍三维视觉模型中的方法。⑴物理建模技术。物理建模是几何建模的进一步发展,在建模的时候就考虑对象的物理属性。典型的物理建模方法有分形技术和粒子系统。分形技术是指用来描述具有自相似特征的数据集。自相似结构可以用于复杂的不规则外形物体建模,比如河流和山体的地理特征建模。分形技术的优点是用简单的操作就可以完成复杂的不规则物体建模,缺点是计算量太大,实时性差。因此分形技术比较适合在虚拟现实中静态远景的建模。粒子系统是用简单的体素完成复杂的运动的建模。粒子系统由大量称为粒子的简单体素构成的,每个粒子具有位置,速度,颜色等属性。在虚拟现实中粒子系统用于动态的,运动的物体建模。⑵几何建模技术。几何建模是基于几何信息来描述物体模型的建模方法,它处理物体的几何形状的表示,研究图像数据结构的基本问题。首先要构造几何模型,然后模拟虚拟照相机在6个自由度运动,并得到相应的输出画面。几何模型一般可以分为面模型和体模型。面模型用面片来表现对象的表面,其基本几何元素多为三角形,体模型多用体素来描述对象的结构,其基本几何元素多为四面体。几何建模通常又分为两种,一种是人工的几何建模方法,另一种是自动的几何建模方法。人工的建模方法通常是利用建模软件来进行建模。自动的几何建模方法最典型的是采用三维扫描仪对实际物体进行建模,它能快速将真实世界的物体的三维信息转换为计算机可以处理的数据。⑶行为建模技术。行为建模技术主要研究物体运动的处理和对其行为的描述,体现了虚拟环境中的建模特征。行为建模赋予虚拟现实中物体的行为和反应能力,服从一定的客观规律。行为建模方法有两种,一种是基于数值插值的运动学方法,另外一种是基于物理的动力学仿真方法。采用运动学和动力学仿真都可以模仿物体的运动行为,但各有其优点和缺点。运动学动画技术可以做得很逼真和高效,但应用领域不广。动力学仿真适合于物体间交互较多的虚拟环境。










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