计算机虚拟现实关键技术及其应用.pdf

2 0 2 4年2期1 6 9 2 0 2 4年第4 6卷第2期计算机虚拟现实关键技术及其应用郭秋红 刘亚林作者简介:郭秋红(1 9 9 1-),硕士,讲师,研究方向为虚拟现实、图像处理、大数据;刘亚林(1 9 9 1-),硕士,讲师,研究方向为大数据、机器学习、深度学习,E-m a i l:2 2 6 3 9 8 4 2 7q q.c o m(通信作者)。(青岛科技大学高密校区 山东 高密2 6 1 5 0 0)摘 要 计算机虚拟现实技术在动态环境建模技术、立体显示技术、三维虚拟声系统等关键技术的支撑下,有着沉浸感和实时交互性特点,这使其在游戏、教育医学等行业得到了广泛应用,解决了行业中的技术性难题。文中主要阐述了计算机虚拟现实关键技术及其应用,希望对技术的创新发展起到推动作用。关键词:计算机;虚拟现实;关键技术;应用中图分类号 G 6 2 3.5 8C o m p u t e rV i r t u a lR e a l i t yK e yT e c h n o l o g ya n dI t sA p p l i c a t i o nGUOQ i u h o n ga n dL I UY a l i n(Q i n g d a oU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,G a o m i,S h a n d o n g 2 6 1 5 0 0,C h i n a)A b s t r a c t S u p p o r t e db yk e y t e c h n o l o g i e s s u c ha sd y n a m i c e n v i r o n m e n tm o d e l i n g t e c h n o l o g y,s t e r e o s c o p i cd i s p l a y t e c h n o-l o g y,a n d3 Dv i r t u a l s o u n ds y s t e m,c o m p u t e rv i r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g yh a s t h e c h a r a c t e r i s t i c so f i mm e r s i o na n dr e a l-t i m ei n t e r a c t i v i t y,w h i c hm a k e s i tw i d e l yu s e d i ng a m e s,e d u c a t i o n,a n dm e d i c i n e,a n ds o l v e s t e c h n i c a l p r o b l e m s i nt h e i n d u s-t r y.T h i sp a p e rm a i n l ye x p o u n d s t h ek e y t e c h n o l o g i e s a n da p p l i c a t i o n so f c o m p u t e rv i r t u a l r e a l i t y,h o p i n g t op l a ya r o l e i np r o m o t i n gt h e i n n o v a t i o na n dd e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y.K e y w o r d s C o m p u t e r,V i r t u a l r e a l i t y,K e yt e c h n o l o g y,A p p l i c a t i o n0 引言虚拟现实技术主要通过对虚拟环境、真实的综合感知信息、自然人、虚拟环境等的准确表达,实现各种先进技术的集成,让体验者沉浸在虚拟环境中,深入感知虚拟环境,实现对客观事物的探索和理解。虚拟现实技术是一种先进的用户界面,也是一种媒体,是可以解决医疗或军事领域中具体问题的应用软件,是人类认识世界、体验未知事件、探索宏观和微观世界的一种全新手段。目前,计算机虚拟现实技术仍处于摸索性前进阶段,存在较大的进步空间,值得深入研究。1 计算机虚拟现实关键技术分析1.1 动态环境建模技术环境建模是构建虚拟环境的关键技术。(1)几何模型技术,指利用几何图形建立物体模型的技术,它涉及几何信息的表示和数据结构的算法。(2)物理建模技术,它考虑了物体的变形、惯性、质量等物理特性。(3)行为建模技术,即对目标运动的处理和对行为的描述。该技术能赋予物体形状特征、物体行为和反应能力。(4)NUR B S技术,即工程设计中描述曲线曲面的一种非均匀数学方法。(5)纹理映射技术,可以增加绘图图像的真实性,避免图形枯燥。(6)全局光源技术,包括辐射技术和光线跟踪技术,提高了图形照明效果。(7)听觉建模技术,可赋予声源位置在虚拟场景中的逼真感,声音系统可以根据体验者的位置实时变化。1.2 立体显示技术生产立体图像,离不开立体显示技术的支持,如偏振眼镜、头盔式立体显示器、肉眼立体显示技术、彩色眼镜等。同样的,场景会产生基于左眼和右眼的两个视差图像。实验者使用各种设备(如立体眼镜)来观察不同的图形,这些图形就会被大脑融合形成立体图像。1.3 三维虚拟声系统在虚拟场景中准确判断声源对于体验者而言非常重要,且其需要与现实世界中的听觉模式相适应。三维虚拟声音重建技术的结构如下:声音定位跟踪系统可以通过各声源的相位差和压力差对声源进行定位和跟踪;听觉环境系统则由声源定位和声音合成、声音识别等设备组成。1.4 三维场景实时生成技术为了突出计算机虚拟现实技术的实时性,需要提高图像生成和显示的速度,即场景刷新率需高于1 03 0帧率。1 7 0 2 0 2 4年2期(1)实时绘制几何图形,包括离线计算、预测计算和场景分割,以提高动态显示速度。预测计算主要根据物体的运动规律(如运动速度),在绘制屏幕前计算下一个场景,以提高显示速度。预测计算能计算和存储可预测的数据,以便更快地显示。场景分割可以将复杂场景划分为多个子场景,在每个子场景中画出可见部分。可以看出,消失会直接影响观众的视线。该系统会显示当前可见的场景,并隐藏部分观众的视线。细节层次模型则是根据场景中每个对象的不同细节层次建立的一组模型。(2)基于图像的场景生成技术,如全景技术。全景技术是由一个鱼眼相机拍摄的一组图片,然后使用软件生成不同视图的每个场景的观点。但图像的插值技术不同于视点变换技术,图像可以在每个视点完成拍摄,相邻图像的交互作用可以形成相应的图像,得到其他视点的场景地图,实现多点漫游。1.5 碰撞检测技术在虚拟世界中漫游,人与物体之间的碰撞是不可避免的,通过检测碰撞,做出相应的响应,可以保证系统的真实性。常用的碰撞侦测分析方法有空间分析法和包围盒法。前者用于检测小单元相邻目标间的碰撞,后者则用于检测复杂环境的交集。1.6 增强现实技术虚拟现实技术产生了一个环境系统,在这个系统中,体验者看不到周围的真实世界。扩增实境系统的使用则使得体验者能看到周围的真实世界。该系统具有三维空间定位、时序交互、真实与虚拟环境相结合的特点。具体技术包括以下几种。(1)增强技术。其可以将虚拟对象添加到真实环境中。(2)光学与视频技术。其能实现虚拟物体与真实物体的集成。(3)定位技术。在虚拟现实世界中,其能实现对物体的正确定位。1.7 软件技术为使新的应用程序能在现有开发工具的基础上运行,需要建立虚拟现实构造工具集,该工具集能提供各种控制语言来支持物理仿真和交互。虚拟现实软件包括M a y a工具、D V S分布式系统、C u l t 3 D网络三维交互软件、WT K虚拟环境应用软件包、3 D S MA X三维图形设计软件等。其中,V RML是HTML的优化语言,它具有多用户和行为控制、事件输入输出、传感器触发等功能,可增强交互性,使虚拟现实的效果更为理想。2 计算机虚拟现实技术的应用2.1 应用于游戏领域虚拟现实技术可以提高游戏场景的真实性。(1)技术沉浸感,让体验者产生更多的感知,以拓展体验者的想象空间,增加游戏的乐趣。体验者可以将自己沉浸在一个逼真的虚拟环境中,在视、听等多种感官的体验中,增强个人感觉。(2)该技术可以减少高逼真度虚拟环境带来的不适感,使体验者深入感知游戏背景,多角度分析和体验游戏内容。(3)交互式设备增强了对对象的控制感。体验者可以使用交互式装置用手抓住物体,或用脚去触碰虚拟环境中的物品,更具游戏性。(4)虚拟现实技术与手机游戏的结合,可以促进游戏产业的现代化1。2.2 应用于教育领域虚拟现实等现代教育技术的应用,改变了传统的教学方法,形成了新的教学局面和教育生态,使学生能直观地理解抽象的教学内容,更有效地学习知识技能。它还被广泛应用于科研、虚拟实训基地、虚拟实验室、虚拟学习环境等领域。例如,在美术教学中,可以发挥美术作品的作用,使学生在绘画中行走,深刻感受历史生活,体验时代建筑的特点,帮助学生欣赏美术,提高审美水平。再如,虚拟现实技术在实验教学中的应用,可以展示存在危险的化学实验,或展示操作工具不完整的物理实验。在科学课上,学生还可以利用虚拟现实技术进行太空旅行,观察和触摸每一颗星星,这有利于发展学生的想象力和创造力。虚拟技术的应用,突破了时空等因素的限制,有利于优化教育资源的配置和利用,助力教育的创新发展。2.3 应用于医学领域虚拟现实技术在医疗领域中的应用,主要体现在远程医疗和医疗康复、手术模拟、可行性研究、辅助诊断等方面。(1)虚拟人体解剖图,利用数字化三维解剖图,方便医学生自由观察人体结构,深入理解解剖学。例如,V o x e l m a n的虚拟人体可以模拟任何解剖学信息,测量器官和组织之间的距离,并改变观察点。(2)虚拟人体,它构建了一个结构化的人体动力学模型,可以通过任意变形或移动来重建器官,也可以反映人体的动态行为。例如,虚拟步态模拟器可以模拟人体下肢骨骼的运动步态,便于研究人体下肢解剖学。(3)虚拟手术仿真,手术模拟器是仿真人体手术的重要领域,医生在模拟实践中,可有效提高专业技能。例如,如果观察到邻近组织的三维结构,外科医生可以确定肿瘤切除的位置。三维仿真系统可以模拟手术刀切割皮肤和器官的效果,配合力反馈装置,可以帮助操作者控制手部压力。(4)远程手术,医生利用传感器,将其手部动作信号传输给手术机器人,由机器人对患者进行手术。(5)模拟医学教育。虚拟现实技术可以应用于医学教学、实训教育等领域,如医学生可以通过三维医学模型了解人体解剖学,或借助手术模拟学习新的手术方法,更新专业知识和技能。(6)医疗康复,虚拟现实技术可检测患者的残疾度和康复情况。例如,敏感手套可记录手指的活动情况,发挥大数据分析等功能,制定针对性的康复方案。2.4 应用于军事航空领域在军事航空方面,虚拟现实技术的应用包括自愿联合军事演习联盟、航天员训练、深空探测、载人航天空间信息系统的三维实时可视化展示及军事训练。(1)虚拟战场环境(下转第1 7 4页)移动信息1 7 4 2 0 2 4年2期h(n)作为存在码间干扰的复信道。如此,其可通过特定值的确认,检索信道传输时产生的高斯噪声,以开展仿真测试。例如,检测者取初始相位是/4,根据信道的状态设置步长因素为0.0 0 1,设置均衡器系数2 1个,应用计算机模拟的方式,检索信号变化情况,以判断异常节点位置。通过单数据分组、I P编址设置的方式,防止无线频点间发生碰撞干扰,以实现对节点信号值的追踪,处理异常节点。3 结语由于网络规模较大,为保障人们的用网安全,应降低异常节点对网络环境造成的影响,应用盲均衡算法来检测网络大数据异常节点,实现对其的定位及预处理。此外,检测者需计算异常节点间的密度,开展智能检测异常节点工作,并通过仿真测试,对其进行实时监控,规避网络安全风险。参考文献1符太东,刘松旭,李育强.基于盲均衡算法的网络大数据异常节点检测J.计算机仿真,2 0 2 3,4 0(7):4 6 2-4 6 6.2陈阳.基于小波神经网络的光纤网络大数据异常负载检测方法J.激光杂志,2 0 2 3,4 4(5):1 2 3-1 2 7.3吕佳璇.基于B P神经网络的大数据服务型企业价值评估研究D.南昌:江西财经大学,2 0 2 2.4郑美容.基于C UR矩阵分解的网络异常大数据检测算法J.黄河科技学院学报,2 0 2 2,2 4(2):2 6-3 0.5张文彬,陈文,张立彬.网络大数据系统运营体系研究J.现代信息科技,2 0 2 1,5(2 2):7 1-7 4,7 8.(上接第1 7 0页)利用三维战场环境图像数据库,通过战场场景、作战背景、作战人员等信息,为训练员创建真实的三维战场环境,增强他们的存在感和训练效果。(2)单兵模拟训练,可以模拟真实的战场环境,进行作战训练。士兵可使用各种传感器,选择不同的虚拟战场环境,体验不同的作战效果,以提高他们的战术水平和心理素质。(3)近战战术训练,对接陆、空、野战火炮等综合战术训练系统,多军种部队参与作战模拟,减少区域因素的限制,达到动态交互分布的效果。(4)在高技术武器研制过程中,灵活应用虚拟现实技术干预试验过程,可缩短研制周期,合理评估其作战效能。利用虚拟现实技术对武器的设计、性能指标和作战可行性进行测试,还可以降低武器研制的成本。2.5 应用于工业技能培训领域我国工业正处于去产能的发展阶段,对技术人员的技能水平要求较高,这也导致了技能培训模式的转变。将虚拟现实技术应用于工业技能培训领域,可以降低培训成本,增强培训效果。利用虚拟现实技术,可建立设备显示程序,帮助工作人员了解设备故障的具体情况和位置,从而便于相关工作的顺利进行。3 发展计算机虚拟现实技术的对策3.1 合理进行战略规划计算机虚拟现实技术在许多领域都有着广泛的应用前景。因此,需要做好技术与产业融合的战略规划和顶层设计,使发展路径更加清晰,促进虚拟现实产业的稳步发展。3.2 实现产业化发展应在政策的引导下,在产学研的支持下,积极解决技术瓶颈问题。积极研发创新技术产品,拓展产业经济效益空间。虚拟现实产业已整合 中国制造2 0 2 5 等发展计划,以加强虚拟现实技术的应用和推广。引入更多的社会资本,整合技术团队和企业,在虚拟现实技术的开发和创新中,创造更多的就业机会,促进关键技术产品的研发和产业化。建立虚拟现实产业合作平台,优化人才配置,实现产业链合作,形成技术开发、内容生产和售后服务为一体的产业体系2。3.3 完善标准体系促使虚拟现实产业向国际标准靠拢,使我国自主知识产权技术成为国家标准。相关企业应加强与社会组织的联系,尽快发布集团标准,为该技术的有效应用提供保障。完善技术、产品及相关系统的评估,不断提高虚拟现实产品的质量。3.4 把握时代机遇为促进虚拟现实技术的发展与成熟,必须与时俱进,积极改变集成电脑等虚拟现实产品的形式,促进产品的更新换代。为解决智能化程度低、缺乏芯片等核心问题,还应不断加强主流虚拟现实产品的开发力度3。4 结语计算机虚拟现实技术在医学、教育等领域中有着广泛的应用。为了拓展虚拟现实产业的利益空间,应不断促进虚拟现实技术、相关产品的创新和发展,对关键技术进行广泛的研究,使我国的虚拟现实产业跟上国际发展的潮流。参考文献1吕细巧.计算机虚拟现实关键技术及其应用研究J.科技资讯,2 0 2 1,1 9(3 3):1-3.2刘之瑾.计算机虚拟现实技术的应用研究J.山海经:教育前沿,2 0 2 1(6):1-2.3张瑞.计算机技术在虚拟现实技术中的应用研究J.缔客世界,2 0 2 1(5):1 8 8.移动信息