楊海茹　王曉彤

摘要：本研究闡述額虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)概念，詳細(xì)分析了運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)、體感技術(shù)、三維交互技術(shù)的技術(shù)特征、分類，并結(jié)合案例進(jìn)行應(yīng)用分析。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；交互技術(shù)；案例

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）09-0038-02

伴隨著數(shù)字信息時(shí)代的到來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域有了很大的進(jìn)展，也改變著人們的交互方式。這種集計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)、交互技術(shù)、模擬技術(shù)等技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)旨在創(chuàng)造虛擬仿真環(huán)境，使用戶猶如進(jìn)入到真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行活動(dòng)和互動(dòng)，從而形成更好的互動(dòng)與交流。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的具體交互技術(shù)都有哪些，特征功能及如何應(yīng)用，本文對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了研究。

1 國(guó)內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)界定

虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)，通常是指用傳感手套和頭盔顯示器等一些佩戴交互設(shè)備與計(jì)算機(jī)處理技術(shù)相結(jié)合形成的一種計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境[1]。汪成為（1996）認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)不僅僅代表那些交互設(shè)備所涉及的交互技術(shù)，還包括一系列虛擬環(huán)境模擬和體驗(yàn)的技術(shù)和方法。筆者認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)是一種利用圖形學(xué)、成像技術(shù)等多種技術(shù)，利用各種交互設(shè)備，集合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，形成一系列與真實(shí)環(huán)境相似的情景體驗(yàn)的方法和技術(shù)。它能使體驗(yàn)者佩戴某種設(shè)備，就可以進(jìn)入預(yù)先設(shè)置好的虛擬環(huán)境中，并可以與這個(gè)虛擬環(huán)境進(jìn)行多種形式的互動(dòng)與交流。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)分析

2.1 運(yùn)動(dòng)捕捉交互技術(shù)

運(yùn)動(dòng)捕捉交互技術(shù)，簡(jiǎn)稱動(dòng)捕。它是通過(guò)捕捉和記錄真實(shí)事物的動(dòng)作后，將這些動(dòng)作通過(guò)電腦融入到虛擬角色中，使虛擬角色與真實(shí)事物的動(dòng)作相互聯(lián)系在一起，以形成更真實(shí)，流暢的視覺(jué)體驗(yàn)。通常我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的動(dòng)作捕捉交互技術(shù)的應(yīng)用是在電影中如變形金剛里的大黃蜂等角色，都是通過(guò)演員的演繹加之以動(dòng)作捕捉技術(shù)才能將虛擬人物刻畫(huà)的栩栩如生和深入人心，帶給觀看者更加豐富的視覺(jué)感受。技術(shù)分類包含以下幾種：（1）機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉，在運(yùn)動(dòng)物體的可轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)處裝上角度傳感器，依靠這種機(jī)械裝置來(lái)跟蹤和測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。通常用于靜態(tài)造型的捕捉，且成本較低，但唯一不足的是不適用于動(dòng)作復(fù)雜且連續(xù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)跟蹤。（2）聲學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉，通過(guò)發(fā)射超聲波，來(lái)探測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的距離，從而完成對(duì)動(dòng)作的定位和記錄。但由于聲音的傳遞受環(huán)境的影響較大，所以測(cè)量往往存在較大的誤差，這種方法往往不被采用。（3）電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉，在根據(jù)一定規(guī)則分布的電磁場(chǎng)中，放置在表演者上的接收傳感器被定位，然后通過(guò)電纜傳輸?shù)教幚韱卧远ㄎ粋鞲衅鞯奶囟ㄎ恢?。缺點(diǎn)也是，磁場(chǎng)容易受到金屬等物品的干擾，從而影響測(cè)量精度。（4）光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉，在運(yùn)動(dòng)物體關(guān)鍵部位貼上發(fā)光發(fā)亮的標(biāo)記，然后通過(guò)照相機(jī)等視覺(jué)系統(tǒng)，按先后順序記錄和還原這些亮點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，完成物體運(yùn)動(dòng)的記錄和捕捉。這種運(yùn)動(dòng)捕捉方式的測(cè)量精確，所以投入使用時(shí)花費(fèi)的成本比較昂貴[2]。

案例：世優(yōu)科技虛擬動(dòng)畫(huà)制作公司為例，介紹一下動(dòng)作捕捉技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)教育實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)生成的。整個(gè)產(chǎn)品體系的核心技術(shù)是基于動(dòng)作捕捉的實(shí)時(shí)和快速動(dòng)畫(huà)技術(shù)，它是通過(guò)佩戴穿戴式的捕捉設(shè)備，與模型進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)和聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作同步生成，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)實(shí)時(shí)的動(dòng)作捕捉產(chǎn)生可以直播的最終實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)。實(shí)現(xiàn)這套技術(shù)主要涵蓋動(dòng)作捕捉、動(dòng)畫(huà)修正、渲染/環(huán)境三個(gè)板塊。此動(dòng)作捕捉虛擬交互技術(shù)還滲透在“虛擬工場(chǎng)”、“快速動(dòng)畫(huà)工場(chǎng)”、“魔云工場(chǎng)”等多種產(chǎn)品的技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用中。運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在教育動(dòng)畫(huà)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，極大的降低了動(dòng)畫(huà)制作的勞動(dòng)力，給教育領(lǐng)域創(chuàng)造了很好的教學(xué)資源和教學(xué)環(huán)境。

2.2 體感交互技術(shù)

體感交互技術(shù)是人機(jī)交互史上的一次革命，它利用自然語(yǔ)言（如身體動(dòng)作和聲音）操縱多媒體設(shè)備，為人類提供創(chuàng)新體驗(yàn)。如果把虛擬環(huán)境看作一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)體感交互可以把人體變成一個(gè)鼠標(biāo)，通過(guò)感知人體的各種感官變化對(duì)這個(gè)虛擬環(huán)境進(jìn)行控制。體感交互技術(shù)的實(shí)現(xiàn)通常要經(jīng)歷三個(gè)步驟：第一步，深度測(cè)量，通過(guò)深度攝像頭定位人物和背景；第二步，前景分割，通過(guò)辨識(shí)人體和背景，把兩者分離開(kāi)，只定位人體骨架，并對(duì)人體骨架的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別；第三步，通過(guò)之前的人體骨架定位，對(duì)人體的走，跑，跳等基本動(dòng)作可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的應(yīng)答和識(shí)別。目前，體感交互在技術(shù)上已經(jīng)基本走向成熟。根據(jù)傳感方法與原理的區(qū)別，可以分為慣性傳感，光學(xué)傳感，慣性傳感和光學(xué)組合傳感三類。慣性傳感主要通過(guò)磁傳感器感知經(jīng)驗(yàn)人體運(yùn)動(dòng)的物理參數(shù)，然后根據(jù)該測(cè)量值獲得用戶的空間運(yùn)動(dòng)。光學(xué)傳感主要是通過(guò)光學(xué)傳感器獲取人體圖像，最后通過(guò)計(jì)算來(lái)確定人體動(dòng)作。綜合感測(cè)是慣性和光學(xué)傳感器的組合來(lái)推斷運(yùn)動(dòng)，它可以簡(jiǎn)單地看作是上述兩種傳感方法的集合[3]。

案例：曼恒數(shù)字技術(shù)有限公司為解決虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)捕捉交互技術(shù)在實(shí)踐時(shí)可能出現(xiàn)的很多不穩(wěn)定因素，自主開(kāi)發(fā)和研究了國(guó)內(nèi)首個(gè)體感交互的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)備和平臺(tái)。該公司是將一種體感交互設(shè)備Kinect與其獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)研制的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)進(jìn)行了合并與聯(lián)合，開(kāi)發(fā)了一款具有獨(dú)立產(chǎn)權(quán)的DVS 3D產(chǎn)品。該產(chǎn)品可以擺脫傳統(tǒng)的鼠標(biāo)鍵盤(pán)和復(fù)雜的動(dòng)作捕捉等佩戴設(shè)備的范圍有限帶來(lái)的束縛，而通過(guò)手勢(shì)動(dòng)作就可以自如的完成交互操作和活動(dòng)。

2.3 三維交互技術(shù)

三維交互技術(shù)是指在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建對(duì)象的三維模型，然后通過(guò)交互設(shè)計(jì)軟件設(shè)置交互程序，以便用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)等交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互新興技術(shù)，使用鼠標(biāo)來(lái)控制觀察的方向可以是左或右，并且可以接近或遠(yuǎn)離。它主要借助三維立體的動(dòng)態(tài)模型，來(lái)全方位多層次細(xì)致的呈現(xiàn)物體的各個(gè)部位的結(jié)構(gòu)和功能，使物體更加利于觀察和操作。三維成像技術(shù)的特點(diǎn)主要是利用人體自身特殊的視覺(jué)機(jī)理，而呈現(xiàn)出的一種立體鏡效果。它以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，正在引領(lǐng)可視化技術(shù)像一個(gè)嶄新的方向發(fā)展，在軍事，醫(yī)療，教育，商業(yè)，文化傳播等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)潛力無(wú)窮[4]。

案例：“中視典數(shù)字科技”自主開(kāi)發(fā)和研究的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)為例進(jìn)行具體分析，它是利用虛擬三維交互技術(shù)、多媒體技術(shù)和多種互動(dòng)硬件進(jìn)行融合設(shè)置，以最終實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的各個(gè)操作步驟的模擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室主要是針對(duì)日常教學(xué)中某些危險(xiǎn)性系數(shù)較大，或者實(shí)驗(yàn)室條件很難滿足實(shí)驗(yàn)需求的情況下開(kāi)展的一種教學(xué)形式和教學(xué)方法。它的途徑主要分三個(gè)步驟：第一步，構(gòu)建三維立體的客觀事物，將所需要的器材和物品打造成直觀的三維形象，便于接下來(lái)得操作和處理：第二步，將這些三維立體形象搭建成所需要的教學(xué)目標(biāo)環(huán)境：第三步，在場(chǎng)景中設(shè)計(jì)具體的交互，引導(dǎo)學(xué)生在進(jìn)入場(chǎng)景后可以依據(jù)提示一步步的完成虛擬實(shí)驗(yàn)。這種虛擬實(shí)驗(yàn)室的低成本，可利用度高，而且場(chǎng)景還原逼真，學(xué)生的參與性和動(dòng)手操作性也很強(qiáng)，所以被許多學(xué)校應(yīng)用于日常的教學(xué)中，十分有利于激發(fā)學(xué)生的探究能力和動(dòng)手能力。

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬世界中的交互技術(shù)，實(shí)質(zhì)是構(gòu)建了一個(gè)可以人為控制的“自由”交互的虛擬世界。虛擬交互技術(shù)主要是通過(guò)佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備，來(lái)實(shí)現(xiàn)人體自身的多種感官感受的真實(shí)接觸和互動(dòng)。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還只停留在一個(gè)開(kāi)發(fā)的初期，各方面的探索和應(yīng)用還不是特別穩(wěn)定和完善，本文希望對(duì)于開(kāi)發(fā)新的人機(jī)交互方式提供了新思路。

參考文獻(xiàn)

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