虚拟现实环境中的交互技术与案例研究

杨海茹　王晓彤

摘要：本研究阐述额虚拟现实交互技术概念，详细分析了运动捕捉技术、体感技术、三维交互技术的技术特征、分类，并结合案例进行应用分析。

关键词：虚拟现实；交互技术；案例

中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）09-0038-02

伴随着数字信息时代的到来，虚拟现实技术在各个领域有了很大的进展，也改变着人们的交互方式。这种集计算机三维图形技术、交互技术、模拟技术等技术的虚拟现实技术旨在创造虚拟仿真环境，使用户犹如进入到真实的环境中进行活动和互动，从而形成更好的互动与交流。虚拟现实环境中的具体交互技术都有哪些，特征功能及如何应用，本文对此问题进行了研究。

1 国内外虚拟现实交互技术界定

虚拟现实交互技术，通常是指用传感手套和头盔显示器等一些佩戴交互设备与计算机处理技术相结合形成的一种计算机软硬件环境[1]。汪成为（1996）认为虚拟现实交互技术不仅仅代表那些交互设备所涉及的交互技术，还包括一系列虚拟环境模拟和体验的技术和方法。笔者认为，虚拟现实交互技术是一种利用图形学、成像技术等多种技术，利用各种交互设备，集合计算机系统，形成一系列与真实环境相似的情景体验的方法和技术。它能使体验者佩戴某种设备，就可以进入预先设置好的虚拟环境中，并可以与这个虚拟环境进行多种形式的互动与交流。

2 虚拟现实交互技术分析

2.1 运动捕捉交互技术

运动捕捉交互技术，简称动捕。它是通过捕捉和记录真实事物的动作后，将这些动作通过电脑融入到虚拟角色中，使虚拟角色与真实事物的动作相互联系在一起，以形成更真实，流畅的视觉体验。通常我们日常生活中常见的动作捕捉交互技术的应用是在电影中如变形金刚里的大黄蜂等角色，都是通过演员的演绎加之以动作捕捉技术才能将虚拟人物刻画的栩栩如生和深入人心，带给观看者更加丰富的视觉感受。技术分类包含以下几种：（1）机械式运动捕捉，在运动物体的可转动的关节处装上角度传感器，依靠这种机械装置来跟踪和测量物体的运动轨迹。通常用于静态造型的捕捉，且成本较低，但唯一不足的是不适用于动作复杂且连续的运动状态跟踪。（2）声学式运动捕捉，通过发射超声波，来探测运动物体的距离，从而完成对动作的定位和记录。但由于声音的传递受环境的影响较大，所以测量往往存在较大的误差，这种方法往往不被采用。（3）电磁式运动捕捉，在根据一定规则分布的电磁场中，放置在表演者上的接收传感器被定位，然后通过电缆传输到处理单元以定位传感器的特定位置。缺点也是，磁场容易受到金属等物品的干扰，从而影响测量精度。（4）光学式运动捕捉，在运动物体关键部位贴上发光发亮的标记，然后通过照相机等视觉系统，按先后顺序记录和还原这些亮点的运动轨迹，完成物体运动的记录和捕捉。这种运动捕捉方式的测量精确，所以投入使用时花费的成本比较昂贵[2]。

案例：世优科技虚拟动画制作公司为例，介绍一下动作捕捉技术是如何实现教育实时动画生成的。整个产品体系的核心技术是基于动作捕捉的实时和快速动画技术，它是通过佩戴穿戴式的捕捉设备，与模型进行点对点的对应和联系，以实现动作同步生成，从而实现通过实时的动作捕捉产生可以直播的最终实时动画。实现这套技术主要涵盖动作捕捉、动画修正、渲染/环境三个板块。此动作捕捉虚拟交互技术还渗透在“虚拟工场”、“快速动画工场”、“魔云工场”等多种产品的技术的开发与应用中。运动捕捉技术在教育动画的开发和应用，极大的降低了动画制作的劳动力，给教育领域创造了很好的教学资源和教学环境。

2.2 体感交互技术

体感交互技术是人机交互史上的一次革命，它利用自然语言（如身体动作和声音）操纵多媒体设备，为人类提供创新体验。如果把虚拟环境看作一个计算机系统，通过体感交互可以把人体变成一个鼠标，通过感知人体的各种感官变化对这个虚拟环境进行控制。体感交互技术的实现通常要经历三个步骤：第一步，深度测量，通过深度摄像头定位人物和背景；第二步，前景分割，通过辨识人体和背景，把两者分离开，只定位人体骨架，并对人体骨架的关键节点进行识别；第三步，通过之前的人体骨架定位，对人体的走，跑，跳等基本动作可以进行简单的应答和识别。目前，体感交互在技术上已经基本走向成熟。根据传感方法与原理的区别，可以分为惯性传感，光学传感，惯性传感和光学组合传感三类。惯性传感主要通过磁传感器感知经验人体运动的物理参数，然后根据该测量值获得用户的空间运动。光学传感主要是通过光学传感器获取人体图像，最后通过计算来确定人体动作。综合感测是惯性和光学传感器的组合来推断运动，它可以简单地看作是上述两种传感方法的集合[3]。

案例：曼恒数字技术有限公司为解决虚拟现实环境中运动捕捉交互技术在实践时可能出现的很多不稳定因素，自主开发和研究了国内首个体感交互的虚拟现实技术设备和平台。该公司是将一种体感交互设备Kinect与其独立自主开发研制的虚拟现实平台进行了合并与联合，开发了一款具有独立产权的DVS 3D产品。该产品可以摆脱传统的鼠标键盘和复杂的动作捕捉等佩戴设备的范围有限带来的束缚，而通过手势动作就可以自如的完成交互操作和活動。

2.3 三维交互技术

三维交互技术是指在虚拟环境中创建对象的三维模型，然后通过交互设计软件设置交互程序，以便用户可以通过鼠标等交互设备实现人机交互新兴技术，使用鼠标来控制观察的方向可以是左或右，并且可以接近或远离。它主要借助三维立体的动态模型，来全方位多层次细致的呈现物体的各个部位的结构和功能，使物体更加利于观察和操作。三维成像技术的特点主要是利用人体自身特殊的视觉机理，而呈现出的一种立体镜效果。它以其独特的优势，正在引领可视化技术像一个崭新的方向发展，在军事，医疗，教育，商业，文化传播等领域都有广泛的应用，开发潜力无穷[4]。

案例：“中视典数字科技”自主开发和研究的虚拟仿真实验室平台为例进行具体分析，它是利用虚拟三维交互技术、多媒体技术和多种互动硬件进行融合设置，以最终实现对教学实验过程的各个操作步骤的模拟现实呈现。虚拟实验室主要是针对日常教学中某些危险性系数较大，或者实验室条件很难满足实验需求的情况下开展的一种教学形式和教学方法。它的途径主要分三个步骤：第一步，构建三维立体的客观事物，将所需要的器材和物品打造成直观的三维形象，便于接下来得操作和处理：第二步，将这些三维立体形象搭建成所需要的教学目标环境：第三步，在场景中设计具体的交互，引导学生在进入场景后可以依据提示一步步的完成虚拟实验。这种虚拟实验室的低成本，可利用度高，而且场景还原逼真，学生的参与性和动手操作性也很强，所以被许多学校应用于日常的教学中，十分有利于激发学生的探究能力和动手能力。

3 结语

虚拟世界中的交互技术，实质是构建了一个可以人为控制的“自由”交互的虚拟世界。虚拟交互技术主要是通过佩戴虚拟现实交互设备，来实现人体自身的多种感官感受的真实接触和互动。目前虚拟现实技术还只停留在一个开发的初期，各方面的探索和应用还不是特别稳定和完善，本文希望对于开发新的人机交互方式提供了新思路。

参考文献

[1]张际平.多媒体与网络技术的学习应用[M].上海教育出版社，2007.

[2]胡茂晓.惯性动作捕捉前端设备与数据传输研究[D].山东大学，2015.

[3]庞小月，郭睿桢， 姚乃埌，等.体感交互人因学研究回顾与展望[J].应用心理学，2014，20（3）：243-251.

[4]员巍.三维虚拟交互技术在水墨动画中的应用与研究[D].东华大学，2014.