亓彩艷

隨著虛擬現(xiàn)實技術廣泛應用于教育、娛樂、醫(yī)療、軍事等領域，其帶來巨大收益的同時也引發(fā)了許多問題，引起了廣大哲學家、倫理學家及相關從業(yè)人員、公眾的高度關注。利用虛擬現(xiàn)實技術能夠創(chuàng)設出真實場景，在虛擬現(xiàn)實技術中計算機技術是一個核心重點。

一、關于虛擬現(xiàn)實技術的簡介

1.虛擬現(xiàn)實技術的概念

顧名思義虛擬現(xiàn)實就是虛假的展示，采用計算機技術來模擬真實世界，可以將用戶帶入到虛擬體驗中，使之沉浸在三維世界中。在虛擬現(xiàn)實領域包括AR、VR、MR幾個名詞，AR技術是利用計算機接入傳感器接口結合定位相機、人工智能技術渲染3D模型；VR則是利用計算機建模和渲染軟件來創(chuàng)設虛擬世界，選定一個位置放置相機，以此來替代人的眼睛，用戶在佩戴頭戴式設備之后即可進入相關場景；MR則能夠解鎖自然與直觀的3D人類，實現(xiàn)計算機與環(huán)境之間的交互。虛擬現(xiàn)實技術涉及諸多領域，屬于多領域集成，為了讓用戶產(chǎn)生更為流暢、飽滿的體驗，需要多學科之間的協(xié)同。首先是數(shù)理科學，包括信息通信技術、信息技術、遠程控制操作、機器人技術等，還需要提供數(shù)學模型的工學、力學和光學；其次是自然科學和人文科學。虛擬現(xiàn)實技術將自然科學、人文科學、工程科學之間深度銜接起來，發(fā)揮出了學科之間的交叉優(yōu)勢，但是學科的交叉也帶來一些問題，比如，其發(fā)展需要各個學科的齊頭并進，虛擬現(xiàn)實技術并不是單一是計算機科學的分支，其涉及的內容更加復雜。

2.虛擬現(xiàn)實技術的特征

一是交互性。利用虛擬現(xiàn)實技術能夠設置一種虛擬環(huán)境，在向計算機系統(tǒng)輸入指令之后即可完成相應的配置，虛擬設備的運動傳感器可以根據(jù)使用者的行為來傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對虛擬場景的控制；二是共享性。利用虛擬現(xiàn)實技術，能夠讓用戶在虛擬環(huán)境中從多角度來看待現(xiàn)實世界，這是虛擬現(xiàn)實技術的一個關鍵，涉及運維、安全、管理等多個層面；三是沉浸性。用戶在通過佩戴虛擬現(xiàn)實設備之后，能夠建立一個新的信息交流渠道，將用戶的聽覺、視覺轉移至虛擬場景中，切斷與外界的聯(lián)系，帶來沉浸感的體驗。

3.虛擬現(xiàn)實技術的應用領域

虛擬現(xiàn)實技術的用途較多，目前應用較廣的幾個領域包括：

一是學習與訓練領域。虛擬現(xiàn)實技術被廣泛的使用在學習和訓練中，能夠提供一種新型的模擬器創(chuàng)設出真實的情境；二是治療和康復。在治療領域虛擬現(xiàn)實技術也得到了廣泛使用，其中最具代表性的就是暴露療法，比如，利用虛擬現(xiàn)實技術能夠治療幽閉恐懼癥、拉斐爾恐懼癥等。在該種療法中，將患者置于虛擬世界，通過呈現(xiàn)不同程度的場景，將患者暴露在焦慮刺激中，以減少其焦慮情緒。相較于傳統(tǒng)的治療方法，虛擬現(xiàn)實技術具有明顯優(yōu)勢，醫(yī)生可以自行控制刺激程度，更有助于臨床治療；三是計算科學可視化。利用虛擬現(xiàn)實技術能夠拓展認知能力，目前國外發(fā)達國家已經(jīng)嘗試將其應用在行為科學領域中，尤其是在結構和大腦活動方面已經(jīng)實現(xiàn)了可視化；四是AR游戲。VR游戲是虛擬現(xiàn)實技術在游戲領域中的典型應用，是游戲從2D發(fā)展至3D的最新成果，這種技術能夠為使用者提供聽、觸等感官的模擬，使用者可以身臨其境進行自由互動，虛擬現(xiàn)實技術的成熟將會影響游戲領域，單一依靠鍵盤、手柄、鼠標來操作的游戲將會不復存在，三維的立體化游戲將會成為發(fā)展主流；五是虛擬現(xiàn)實社交。虛擬現(xiàn)實社交就是利用虛擬現(xiàn)實技術打造虛擬空間，用戶通過虛擬現(xiàn)實設備在進入社交空間之后，能夠與陌生人進行互動和交流，虛擬社交超越了目前的微信、微博、QQ等社交方式，不再是單一的文字、圖片、語音和視頻交流，能夠為用戶帶來情景化的社交場景，使用戶可以感受到對方的情緒變化和舉止變化，虛擬社交將會是社交的發(fā)展未來。

二、計算機技術在虛擬現(xiàn)實技術中的應用

從本質來看虛擬現(xiàn)實技術是計算機技術的一個分支和組成，利用虛擬現(xiàn)實技術可以打造出一個虛構的世界，通過對各種真實事物的模仿能減少技術投入或者企業(yè)研發(fā)的風險，計算機技術也是虛擬現(xiàn)實技術的核心所在，是助推虛擬現(xiàn)實技術迅速發(fā)展的關鍵。在信息技術的發(fā)展下虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢被體現(xiàn)出來，已經(jīng)成為目前研發(fā)的熱點，信息化技術被廣泛應用在高科技前沿，而計算機技術的應用也讓虛擬現(xiàn)實技術與其他學科之間的聯(lián)系變得更加緊密，關于計算機技術在虛擬現(xiàn)實技術中的應用主要有：

1.球面紋理映射

在計算機圖形學的發(fā)展中紋理映射研究一直都是一項難點，這一技術是實現(xiàn)圖形學中圖像真實感表達的關鍵要求，通過計算機的像素點來表達真實、完整的場景，在三維游戲、虛擬現(xiàn)實中都表現(xiàn)出了重要作用。為了描述物體表面的紋理細節(jié)，需要先將三維物體進行二維參數(shù)化，在于參數(shù)化結果、穩(wěn)定平面之間建立一種映射關系，在實際場景中，對于三維物體的參數(shù)化處理難度非常高，因為大部分物體都是非參數(shù)化畫面拼接而成。因此，需要使用基于中介曲面的兩步紋理映射方法，這種方法的理論是先將二維紋理平面根據(jù)三維物體形狀投射置中介物體表面，這一步是S型映射，再根據(jù)目標物體幾何形狀來映射到目標物體上。根據(jù)映射范圍的差異，包括整球面紋理映射、半球面紋理映射兩種類型。為了確保真實度，需要基于映射適應卷積理論，借助計算機技術來解決混疊問題，對各個層面做出標準格柵化處理，對格柵處理后的節(jié)點進行映射，再找到節(jié)點混疊后的具體位置。在實際操作中，計算人員需要先確定球面形變高斯核范圍，設置好正方形區(qū)域，在以柵格化節(jié)點的逆映射作為中心，構建標準格柵，最后在原始圖像中借助映射適應性卷積來插值得出映射適應卷積結果。根據(jù)卷積結果，選擇對應的插值方法進行重采樣，以解決球面紋理的混疊問題。通過這種方式，可以提升球面三維模型紋理的真實感，目前，這一技術已經(jīng)在廣告設計、動畫制作等領域得到了使用。

2.三維人臉重建算法

三維人臉重建算法主要應用在游戲領域中，在實際研發(fā)工作中如果沿用傳統(tǒng)的方式來繪制三維人臉模型研發(fā)速度會大受影響，而三維人臉重建算法可以有效解決這種問題，快速匹配人臉三維模型。當前這一技術有混合形變、基于體積回歸兩種類型，前者是使用人工采集數(shù)據(jù)的方式來制作數(shù)據(jù)，得出最優(yōu)權值組合，后者則主要是借助三維人臉數(shù)據(jù)庫，如果數(shù)據(jù)庫豐富那么會得出較好的設計效果，但是該種方法耗費的時間較多也更加復雜。還有一種就是體積回歸方法，需要技術人員根據(jù)三維空間組成三維網(wǎng)絡，建立三維網(wǎng)格映射，對其中的體素進行渲染，該種方式可以提升模型的精細度，但是神經(jīng)網(wǎng)絡訓練成本較高。

關于三維人臉重建算法其中會涉及幾個重點內容：一是人臉對齊。在拍攝照片時，會受到角度、技術等因素的影響，這是無法避免的。為了保障人臉特征與匹配的模型相符，需通過旋轉方式將模型進行轉動，與人臉模型進行對比，確定特征點位置，在實際操作中需要采用投影變換的方式分析出人臉的旋近角、自轉角和章動角，根據(jù)人臉空間坐標等建立方程，確保數(shù)據(jù)不受到誤差影響。

二是混合形變參數(shù)回歸。由于人臉面頰較為光滑，在進行操作時還需要額外使用到組合形變模型，先使用參數(shù)回歸方式獲取到人臉骨骼形變模型再做出蒙皮更新，調整人物臉部模型與五官比例，搜索形變參數(shù)權值，優(yōu)化人臉輪廓位置。

三是紋理生成。在三維重建完畢后，為了確保人臉形象的匹配度需要根據(jù)實際情況來使用紋理生成技術，目前最為常用的就是正交投影人臉紋理生成技術，可以準確得出三維人臉模型。

3.虛擬現(xiàn)實聲場渲染

為了優(yōu)化用戶的感受還需要促進視覺、聽覺、觸覺的深度結合，應用虛擬現(xiàn)實聲場渲染即可有效改變用戶的體驗，提升體驗沉浸感。當前，虛擬現(xiàn)實聲場渲染技術的應用還存在諸多問題，時間復雜度較大，聽覺效果不佳等，對此可以使用聲源增強模型，該種模型是建立在視聽雙模定位的基礎上。在佩戴了虛擬現(xiàn)實設備之后用戶對于聲音強度的判斷主要是通過聲音源與自身的位置距離來判斷，如果使用雙模定位就能夠減少視覺刺激的依賴性，提升沉浸感。

三、虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展的技術瓶頸與趨勢

盡管在計算機技術的推動下虛擬現(xiàn)實技術得到了顯著進步，但是與人的理想之間還存在一定的差距，還有一些技術瓶頸問題尚未解決，主要表現(xiàn)為：

一是VR顯示技術。目前VR顯示的分辨率還有待優(yōu)化，VR顯示器還存在顯著的“紗窗效應”，影響了用戶的視覺體驗，并且運算機能不足，VR渲染對于硬件設備具有較高的要求，而分辨率越高計算機需要處理的像素點數(shù)量也會越多，并且會呈現(xiàn)出幾何倍增長趨勢，特別是視頻游戲，其要求更高，要求顯示器需要達到9HZ茲以上的刷新率才不會讓用戶產(chǎn)生眩暈，最為理想的狀態(tài)是達到144HZ以上。從現(xiàn)有的硬件條件來看，為了確保幀數(shù)的穩(wěn)定性不得不降低畫質的要求，但會導致呈現(xiàn)出的畫面不太理想，因此硬件機能是影響虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展的一個關鍵瓶頸。

二是VR交互技術。目前虛擬現(xiàn)實控制器的主要設備有手柄和專用外設，盡管體驗較好但是在使用設備時依然會存在違和感。另外，現(xiàn)有的交互技術反饋不足，人的感官體驗有視覺、聽覺、觸覺、味覺和嗅覺，VR顯示器滿足了受眾的視覺反饋要求，聲學系統(tǒng)則解決了聽覺反饋的要求，但是觸覺、味覺、嗅覺方面的問題還未能解決，當前對于觸覺的解決還是停留在雙手反饋上，大多數(shù)設備只能進行簡單的震動，其他的幾類刺激研究還處于實驗研究階段。

三是VR場景技術。當前追蹤定位還不完善，VR的追蹤定位方案有被動式和主動式兩類，被動式就是利用外部獨立設備來進行追蹤，目前主動式方案還沒有發(fā)展成熟，需要在外部空間中設置標準點，因此現(xiàn)有的場景多是被動式方案，存在硬件成本高、追蹤角度不完美等問題。另外，運動場景也不太成熟，受制于無線技術、追蹤定位技術的影響，大多數(shù)VR還是停留在小范圍的層面，以VR游戲為例，目前解決的僅僅是座艙駕駛類游戲類型，而關于人體運動題材，由于需要豐富的動作反饋和活動空間，尚未研發(fā)成熟。除此之外有線連接也不太便利，這無疑在物理層面上限制了虛擬現(xiàn)實技術的應用，為了為用戶提供較強的沉浸感，需要擺脫線纜束縛，但是當前的通訊技術還無法滿足這一要求。

盡管目前的技術層面存在限制，但是虛擬現(xiàn)實技術依然有著較好的發(fā)展前景，可以預見的是，虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品將會成為下一階段的發(fā)展主流，虛擬現(xiàn)實市場也得到了業(yè)界認可，一些核心器件廠商正式加入到研發(fā)活動中，而計算機技術、電子元器件一直都是影響虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展的兩個技術問題。目前越來越多研發(fā)巨頭的進入能夠從技術層面取得突破，從現(xiàn)有的新聞案例可以看出，虛擬現(xiàn)實的市場潛力已經(jīng)得到了整個行業(yè)的認可，虛擬現(xiàn)實技術將會在未來幾年內得到一次重大的技術突破，將虛擬現(xiàn)實技術提升至新的發(fā)展層次。另外，虛擬現(xiàn)實技術是一項復雜的、涵蓋多領域的技術，目前已廣泛應用于人類的生產(chǎn)、生活領域，影響十分廣泛。隨著技術的不斷發(fā)展和推廣，與之相關的倫理問題也曾出不窮，如本文所闡述的虛擬世界在人物、內容、行為等方面的設計中存在的倫理問題，虛擬化身所造成的責任歸屬問題，虛擬化身對主人格的影響，虛擬世界中產(chǎn)生的心理傷害、思維操縱、隱私侵害問題，這也是下一階段需重點解決的問題。

在虛擬現(xiàn)實技術的推廣過程中，需要融合各類信息對現(xiàn)實環(huán)境的實體進行仿真，其中計算機技術就是其發(fā)展的前提條件，虛擬現(xiàn)實和計算機技術之間密不可分。為了助推虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展需要根據(jù)這項技術現(xiàn)有的發(fā)展問題，充分借助計算機技術進行創(chuàng)新，解決目前設備、軟件等各方面的問題，助推虛擬現(xiàn)實技術的穩(wěn)定和健康發(fā)展。

（作者單位：臨沂職業(yè)學院）