虚拟现实技术的关键之处

虚拟现实技术综合了多媒体技术、计算机图形技术、人机交互技术等多学科技术，其中立体显示技术、环境建模技术、体感交互技术是虚拟现实技术的关键技术环节。

（1）立体显示技术

人类从客观世界获取信息的80%来自视觉，视觉信息的获取是人类感知外部世界、获取信息的最主要传播渠道。在视觉显示技术中，实现立体显示技术是较为复杂和关键的。立体显示技术是虚拟现实的关键技术之一，它可以使人在虚拟现实世界里具有更强的沉浸感，立体显示技术的引入可以使各种模拟器的仿真更加逼真。因此，有必要研究立体成像技术并利用现有的计算机平台，结合相应的软硬件系统在显示器上显示立体视景。

由于人两眼之间有4～6 cm的距离，所以实际上看物体时两只眼睛中的图像是有差别的。两幅不同的图像输送到大脑后，看到的是有景深的图像。这就是计算机和投影系统的立体成像原理。立体显示技术主要有分色技术、分光技术、分时技术、光栅技术以及全息技术。

① 分色技术。

分色技术的基本原理是让某些颜色的光只进入左眼，另一部分只进入右眼。显示器就是通过组合红、黄、蓝三原色来显示上亿种颜色的，计算机内的图像资料大多数也是用三原色的方式储存的。分色技术在第一次过滤时要把左眼画面中的蓝色、绿色去除，右眼画面中的红色去除，再将处理过的这两套画面叠合起来，但不完全重叠，左眼画面要稍微偏左边一些，然后到这就完成了第一次过滤。第二次过滤是观众戴上专用的滤色眼镜，眼镜的左边镜片为红色，右边镜片是绿色或蓝色。由于右眼画面同时保留了蓝色和绿色的信息，因此右边的镜片，不管是蓝色还是绿色都是一样的。

② 分光技术。

分光技术的基本原理是当观众戴上特制的偏光眼镜时，由于左、右两片偏光镜的偏振轴互相垂直，并与放映镜头前的偏振轴相一致。使观众的左眼只能看到左像，右眼只能看到右像，然后通过双眼汇聚功能将左右图像相叠合在视网膜上，由大脑神经产生三维立体的视觉效果。常见的光源都会随机发出自然光和偏振光，分光技术是用偏光滤镜或偏光片滤除特定角度偏振光以外的所有光，让0°的偏振光只进入右眼，90°的偏振光只进入左眼（也可用45°和135°的偏振光搭配）。

③ 分时技术。

分时技术是将两套画面在不同的时间播放，显示器在第一次刷新时播放左眼画面，同时用专用的眼镜遮住观看者的右眼，下一次刷新时播放右眼画面，并遮住观看者的左眼。按照上述方法将两套画面以极快的速度切换，在人眼视觉暂留特性的作用下就合成了连续的画面。

④ 光栅技术。

在显示器前端加上光栅挡光，让左眼透过光栅时只能看到部分画面，右眼也只能看到另外一半画面，于是就能让左右眼看到不同影像并形成立体，此时无须佩戴眼镜。而光栅本身亦可由显示器形成，也就是将两片液晶画板重叠组合而成，当位于前端的液品面板显示条纹状黑白画面时，即可变成立体显示器；而当前端的液晶面板显示全白的画面时，不但可以显示3D影像，还可以同时相容于现有的2D显示器。

⑤ 全息技术。

计算机全息图是通过计算机的运算来获得的一个计算机图形的干涉图样，替代传统全息图物体光波记录的干涉过程，而全息图重构的衍射过程并没有原理上的改变，只是增加了对光波信息可重新配置的设备，从而实现不同的计算机静态、动态图形的全息显示。

（2）环境建模技术

快速建模技术是近年来的新兴三维建模技术，其通过几何图形模型库、3D扫描仪以及Kinect深度照相机等技术手段与工具，快速有效地对真实物体进行数据收集并转化为数字信号进行自动建模，可在虚拟世界展现真实世界中的场景，相比传统建模技术省略了许多复杂程序，建模效率得到极大提升，已成为场景建模的主要手段之一。快速建模过程中常通过次世代游戏技术及场景分块、可见消隐等方式对场景建模优化，以确保虚拟现实系统的运行效率与流畅性。

虚拟环境建模的目的在于获取实际三维环境的三维数据，并根据其应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。只有设计出反映研究对象的真实有效的模型，虚拟现实系统才有可信度。基于目前的技术水平，常见的是三维视觉建模和三维听觉建模。在当前应用中，三维建模一般主要是三维视觉建模。三维视觉建模可分为几何建模、物理建模、行为建模和听觉建模。

① 几何建模技术。

虚拟环境包括两个方面，一是形状，二是外观。物体的形状是由构成物体的各个多边形、三角形和顶点等来确定的，物体的外观是由表面的纹理、颜色、光照系数等来确定的。

虚拟环境中的几何模型是物体几何信息的表示，几何建模是开发虚拟现实系统过程中最基本、最重要的工作之一，设计表示几何信息的数据结构、相关的构造与操纵该数据结构的算法。(www.xing528.com)

② 物理建模技术。

物理建模指的是虚拟对象的质量、惯性、表面纹理（光滑或粗糙）、硬度、变形模式（弹性或可塑性）等特征的建模。物理建模是虚拟现实系统中比较高层次的建模，它需要物理学与计算机图形学配合，涉及力的反馈问题，主要是质量建模、表面变形和软硬度等物理属性的体现。

粒子系统是一种典型的物理建模系统，粒子系统是用简单的体素完成复杂的运动建模。在虚拟现实系统中，粒子系统常用于描述火焰、水流、雨雪、旋风、喷泉等现象及动态运动的物体建模。而河流和山体等地理特征则使用分形技术进行用于静态远景的建模。

③ 行为建模技术。

虚拟现实的本质是客观世界的仿真或折射，虚拟现实的模型则是客观世界中物体或对象的代表。而客观世界中的物体或对象除了具有表观特征如外形、质感以外，还具有一定的行为能力，并且服从一定的客观规律。在虚拟环境行为建模中，建模方法主要有基于数值插值的运动学方法与基于物理的动力学仿真方法。

（3）体感交互技术

体感交互技术主要实现虚拟现实的沉没特性，在交互的过程中满足人体的感官需求。目前，基于该类技术研发的体感设备种类繁多，如有智能眼镜、语音识别、数据手套、触觉反馈装置、运动捕捉系统、数据衣等。

① 手势识别。

手势识别是将人的手势通过数学算法针对人们所要表达的意思进行分析、判断并整合的交互技术。一般来说，手势识别技术并非针对单纯的手势，还可以对其他肢体动作进行识别，比如头部、胳臂等。但是其中手势占大多数。在交互设计方面，手势与依赖鼠标、键盘等进行操控的区别是显而易见的，那就是手势是人们更乐意接受的、舒适而受交互设备限制小的方式，而且手势可供挖掘的信息远比依赖键盘鼠标的交互模式多。

手势识别可以用于虚拟制造和虚拟装配、产品设计等。虚拟装配通过手的运动直接进行零件的装配，同时通过手势与语音的合成来灵活地定义零件之间的装配关系。还可以将手势识别用于复杂设计信息的输入。

② 面部表情识别。

面部表情识别是智能化人机交互技术中的一个重要组成部分，现在越来越受到重视。面部表情是人们之间非语言交流时的最丰富的资源和最容易表达人们感情的一种有效方式，在人们的交流中起着非常重要的作用。表情含有丰富的人体行为信息，是情感的主载体，通过面部表情能够表达人的微妙的情绪反应以及人类对应的心理状态，由此可见表情信息在人与人之间交流中的重要性。

面部表情识别就是利用计算机进行人脸表情图像获取、表情图像预处理、表情特征提取和表情分类的过程，它通过计算机分析人的表情信息，从而推断人的心理状态，最后达到实现人机之间的智能交互。表情识别技术是情感计算机研究的内容之一，是心理学、生理学、计算机视觉、生物特征识别、情感计算、人工心理理论等多学科交叉的一个极富挑战性的课题，它对于自然和谐的人机交互、远程教育、安全驾驶等领域都有重要的作用和意义。

③ 眼动追踪。

眼动的3种基本方式：注视、眼跳、追随运动。由于用户的注视点能极大地改善人机接口，所以可以把眼动活动当作用户注意力状态的标志。将眼动活动整合成人机接口的障碍就是没有一种可用的、可靠的、低成本的、开源的眼动跟踪系统。

眼动跟踪技术中主要使用红外光谱成像处理方法，红外光谱成像通过使用一个用户无法感知的红外光控制系统来主动消除镜面反射。红外光谱成像的好处就是，瞳孔是图像中最强的特征轮廓而不是角膜缘。巩膜和虹膜都能够反射红外光，而只有巩膜能反射可见光。跟踪瞳孔轮廓更具优势，因为瞳孔轮廓比角膜缘更小更尖锐。

④ 触觉反馈。

触觉是指人与物体接触所得到的感觉，是触压觉、压觉、震动觉和刺痛觉等皮肤感受的统称。狭义的触觉是指微弱的机械刺激兴奋了皮肤浅层的触觉感受器引起的肤觉，广义的触觉还包括由较强的机械刺激导致深部组织变形时引起的压觉。触压觉的绝对感受性在身体表面的不同位置有很大的差别，一般来说，越活动的部分触压觉的感受性越高。

通过触觉界面，用户不仅能看到屏幕上的物体，还能触摸和操控它们，产生更真实的沉浸感。触觉在交互过程中有着不可替代的作用。触觉交互已成为人机交互领域的最新技术，对人们的信息交流和沟通方式将产生深远的影响。触觉交互可以增进人机交互的自然性，使普通用户能按其熟悉的感觉技能进行人机通信，对计算机的发展起到不可估量的作用。