虚拟现实 (VR)通往虚拟世界的门户

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介绍

 

虚拟现实(VR)技术的发展正在使现实世界之外的虚拟宇宙成为现实。 在本文中,我们将探讨如何利用丰富的建模技术来构建真实的虚拟环境,并一睹这项技术将如何影响世界。

01VR概念及其发展

VR是Virtual Reality(虚拟现实,简称VR)的缩写,又称精神境界技术。 VR以计算机技术为核心,结合人工智能、光学、运动学等相关技术,利用特定的交互、计算和显示设备,生成具有视觉、听觉、触觉的逼真虚拟环境,让用户在虚拟环境中体验虚拟环境。虚拟环境。 与虚拟对象实时交互并产生身临其境的感官体验。 它具有三个主要特点:沉浸性、交互性、想象力。

VR技术的想法最早出现在20世纪30年代。 1935年,科幻作家斯坦利·G·温鲍姆在小说《皮格马利翁的眼镜》中描述了一款可以同时模拟视觉、触觉、嗅觉、味觉等的VR眼镜。 这副“眼镜”被认为是世界上最早的VR头戴式显示器概念原型。

1957年的Sensorama机器实现了不同感官的同时体验:坐在摇椅上; 不同主题的图片呈现在眼前; 并在您的耳中听到来自不同场景的声音。 在这个视野中,有一个立方体,它的形状随着身体的移动和头部的旋转而变化[1]。

通过与正面屏幕交互,可以实现打字、绘图等操作,这是VR交互性发展的里程碑。 一个具有里程碑意义的VR交互案例是Oculus Medium。 该软件通过手柄与VR耳机进行交互,让用户可以在虚拟现实中自由地创建和雕刻3D模型。 用户可以使用手柄直接在虚拟现实中创建3D模型,自由打造属于自己的创作空间,让VR交互应用场景更加广泛和有趣。

2007年,谷歌推出地图街景,将VR技术应用到日常生活中。 2016年HTC的Vive虚拟现实设备推出后,各种商业虚拟设备也相继出现[2]。

02 VR关键技术

当我们谈论虚拟现实(VR)的关键技术时,首先必须提到场景构建。 这一过程旨在创建一个三维虚拟环境,增强用户的真实感和视觉体验。 此外,为了让用户能够与虚拟世界中的环境进行交互,感知交互技术也是不可或缺的一部分。

场景构建的核心在于三维场景建模技术。 静态几何建模技术需要关注两点:几何信息和拓扑信息。 几何信息是指空间中的各种形状、大小、位置等信息,即与几何关系有关的信息,如直线的长度、角度等。拓扑信息是与物体的变形和连通性有关的信息。空间中的物体。 它关注的是物体之间的拓扑关系而不是具体的形状和大小。 例如,两个对象是否可以相互穿越、是否可以合并为一个对象等。拓扑信息不受对象形状和大小的影响,因此具有一定的普适性和抗干扰性。 在此基础上,我们可以将3D建模分为两类:形状建模和外观建模。 例如,在虚拟环境中建造一座山,并将颜色设置为绿色。 我们相当于把绿色的颜色特征叠加在山的形状特征上,就可以得到一座非常真实的山。

动态运动建模技术是进一步让三维场景“活起来”的关键。 它根据世界坐标系和运动约束来确认虚拟环境中每个物体的位置。 运动限制是指在虚拟环境中,物体之间的交互要符合现实世界中的物理关系和人类直觉。 例如,汽车不应该完好无损地穿过墙壁。

第三种技术是物理建模技术,包括分形技术和粒子系统。 它直观地借鉴了物理世界中的分形现象和粒子观来优化场景的构建。 具体来说,分形技术的核心是描述具有自相似特征的数据集。 静态远景中的山脉、植被等都具有分形特征,即在不同尺度下它们的形状和结构相似,如远处的山和近处的石头。 因此,我们可以使用分形技术来创建这些静态远景。 通过将小整体复制为大整体,不仅丰富了细节,还节省了场景生成所需的资源。 粒子系统是指通过一系列粒子的位置、速度、颜色、生命周期以及粒子之间的相互作用来描述复杂的运动,例如火焰、雨雪、旋风、战场烟雾等动态场景。

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图1 虚拟现实输出设备

(来源:百度官网)

声音模态的建模也是构建真实场景的重要元素。 我们采用全向3D定位和3D实时跟踪来模拟声音的来源和变化。 例如,当声音从某个点发出时,我们可以通过时间差和强度差来确定声源的位置,并且当我们向声源移动时,声音会实时发生变化。

感知交互技术可以将虚拟世界场景与现实世界中的人们连接起来。 通过动作捕捉、眼动捕捉、触觉交互、力反馈等关键技术,我们可以建立现实世界中的人与虚拟世界中的环境的双向映射。 动作捕捉也被运用在一些好莱坞大片的拍摄中。 其原理是将特技演员在现实中的动作映射到电影中[3]。

03 VR人机交互设备

一套完整的VR人机交互设备分为输入设备和输出设备。 输入设备主要包括数据手套、数据服、3D鼠标、3D扫描仪等,输出设备主要包括立体眼镜、头盔式显示器、壁挂式立体显示系统、洞穴式显示系统和裸眼立体显示系统。

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图2 VR仿真图

(图片来源于网络)

04 价值与前景

在安防领域,VR技术也得到广泛应用。 我们可以利用VR的真实模拟能力,以低成本在虚拟世界中重现现实生活中的危险场景,让人们锻炼应对这些场景的能力。 比如可以在建筑安全、化工安全、煤矿安全等领域开展一些培训和培训。 VR技术还可以用来模拟地震和火灾,比如学习如何在火灾场景中使用灭火器[4]。

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图2 火灾模拟

(图片来源于网络)

参考:

[1]利用VR技术进行探究式教学[J]. 杨雪. 科技风采2020(05)

[2] 浅谈我国VR虚拟现实现状及发展趋势[J]. 蔡露露. 现代传播,2017(16)

[3]浅析虚拟现实技术应用的重要性[J]. 王晓峰. 中国西部科学技术,2009(12)

[4] 基于VR技术的安全培训体验系统[J]. 王攀. 电子技术与软件工程,2019(05)

文|王海燕

排版 陈陈

评论 陈兴安、魏一凡、程泽坤、王沁怡

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