VR虚拟现实交互技术在科技成果展示上的应用

刘建平  吴昀颐  郭建明

（青海省科学技术信息研究所，西宁810001）

摘要：通过对于 VR虚拟现实交互技术的学习研究，结合全球 VR硬件软件技术、电脑硬件技术、5G通讯的迅猛发展，通过 VR虚拟现实交互技术，对生涩难懂的科技研究成果进行更为直观的展示展现，具有非常重要的现实意义。

关键词：VR虚拟现实；交互；科技成果展示

中图分类号：TP391.9   文献标识码：B   文章编号：1005-9393(2020)03-0102-03

引言

随着科技日益发展，科技成果和发明大量地涌现，科技成果开始向更加高端复杂化的方向加速前进。在科技成果的展示展现方面，传统方式的展示方法开始变得不够全面，高新科技成果展示普及出现了障碍。VR技术在近4年的迅猛发展，VR硬件设备民用化、手机 VR的实际应用日益成熟、电脑硬件发展迅速让更多的人开始接触VR技术。时机和技术的逐步成熟促使了VR虚拟现实交互技术在科技成果展示上可以得到更好的结合和应用。

虚拟现实技术是多媒体技术的终极应用形式，它是计算机硬件技术、计算机软件技术、传感技术、机器人技术、人工智能及行为心理学等科学领域飞速发展的结晶。主要依赖于三维实时图形显示、三维定位跟踪、触觉及嗅觉传感技术、人工智能技术、高速计算与并行计算技术以及人的行为学研究等多项关键技术的发展^[1]。

1 VR行业迎来了正式版的 OpenXR1.0规范

2019年7月30日，Khronos组织发布了正式版OpenXR 1.0规范，此标准规范的发布，让开发者使用一个API接口就能让程序在多个不同品牌的VR和AR中运行。全球范围行业内的主要企业均加入了此标准规范，目前支持行业内主要硬件和软件平台，包括HTC、Oculus、Microsoft、NVIDIA、AMD、Intel、Unity、Epic、Valve、Varjo、Magic Leap等。应用程序现在各种硬件平台上的运行已经不再需要专有的SDK，行业开放标准对于推动VR技术和缩小各个数字生态系统之间的差距起到了至关重要的作用。

2 VR硬件软件设备的日渐成熟

虽然现在的VR技术仍然处于初级阶段，但是硬件和软件技术的进步已经可以让体验者感受到一个拥有逼真视觉感受和交互体验的VR虚拟世界。

2.1 硬件方面

当前功能成熟完整的量产型VR硬件设备以HTC Vive系列、Oculus、PSVR等为主。这类设备在除去基本的VR视觉呈现效果之外，还拥有手持的控制器可以让操作者增加手部与虚拟场景的交互性动作。交互设备的出现让VR不再是一个沉浸式的视频播放器，而是真正地让体验者进入到这个场景中参与这个场景的变化。

2018年8月21日，NVIDIA在德国Gamescom大会上推出了GeForce RTX 2000系列显卡，显卡基于英伟达最新的图灵（Turing）架构设计，并将首次实现即时光线追踪（Real Time RayTracing），光线追踪能力比前代提升了6倍。一直困扰三维成像真实性中的光线追踪的计算问题终于得到了解决。

2.2 软件方面

在虚幻引擎中，VR硬件的控制器除了基础的按键触发事件外，已经可以对于控制器和头部显示器在空间中的动作进行判定，以此来触发不同的场景内事件。比如使用者在佩戴头部显示器进行点头或者摇头时，可以触发是或者否的判断。

2.3 完整的可交互VR虚拟现实场景的必要组成部分

一个完整的可交互VR虚拟现实场景由三维虚拟场景和使用者控件所组成，立体声音模拟、光影变化、流体粒子动力学等的加入都是为了丰富场景，增加更加真实感觉。

3 VR在科技成果展示中的实际应用

在实际科技成果展示中，VR应结合其科技成果本身特性，量身设计最为适合的展示形式和方式。以下举例进行说明：

3.1 园区类大场景的展示

3.1.1 VR摄影机与航拍无人机等结合

使用无人机搭载VR摄影机对园区场景进行航拍。在引擎中通过动态球面材质和音频组件还原现场。使VR使用者以第一视角进行动态的高空鸟瞰。在未来高速的网络通信技术成熟后，远程操控和图像回传直播，有可能让使用者可以远程通过VR“亲临”现场。

优势：让使用者真实地看到园区场景实景。

劣势：使用者无法自主控制鸟瞰飞行的路径。

3.1.2 倾斜摄影技术

运用无人机倾斜摄影技术，还原园区场景模型以及贴图。在引擎中通过设定使用者的控制方式，让使用者在中低空进行飞行鸟瞰。因为倾斜摄影的精度问题，不建议过于近距离地设定观测路径，防止由于穿帮引起使用者不真实的感觉。

优势：使用者可以自由地在场景中进行鸟瞰，在场景中可以人为地通过三维技术进行注释。可以高精度的原比例还原真实场景。

劣势：倾斜摄影技术所呈现的模型还未能达到VR场景近距离触摸接触的精度，只可以远观。

3.1.3 倾斜摄影技术与三维场景搭建结合

结合倾斜摄影还原的场景模型通过OBJ或FBX等通用格式的导出，将模型文件导入到专业的三维软件中进行场景进一步精细调整，可以对建筑物内部外部进行重新搭建。精细化调整的模型可以再次导入到引擎中，搭建可以交互的场景，树木进行重新种植，流体部分进行流体的动力学填充，加入昼夜变化、风雨雪等天气光影变化。

优势：与倾斜摄影的结合提高了三维场景还原搭建的前期测量工作量，所呈现的场景更加的自由，除了自由鸟瞰也可以让使用者在场景中进行自由的行走，近距离与园区中的功能性物体进行交互，触发设定好的园区的多种事件，如水在农田管道中的流动、光在光热电站中的反射、植物开始生长等。

劣势：场景的精细搭建，在三维建模材质环节上需要一定数量的工作人员、巨大的工作量和工作时间。

3.2 应用技术成果中的实体展示应用

3.2.1 新设备类型的展示

运用三维动画技术在VR领域中可以360°全方位无死角的展示特性，在VR中自由地观察设备的外观。通过VR的交互可以实现在三维虚拟场景中实现新设备成果的操作，触发三维动画，展示运作原理和说明注释。依据不同的触发条件可以设置触发不同的讲解语音，从而达到在动画中讲解成果特性、运作原理等。再配合场景中设计的选择性触发开关进入到应用场景。应用场景可以通过结合场景搭建、VR直播或者 VR摄像录制的影像，从而还原设备在实际应用情况下的运作情况。

优势：VR交互的应用可以非常全面、直观、自由地多方面多角度还原新设备类型成果。

劣势：需要依据成果实际，非常详细且合理地设计动画以及场景。

3.2.2 新技术、新工艺类型展示

新技术和新工艺的展示在文字和传统视频图片上展示非常的抽象，通过 VR的三维虚拟场景构建，可以对于此类展示进行立体的动画设计，在技术和工艺的每一个细节步骤都加入详细的音频和文字的注释。让操作者在真实的应用场景中一步一步地详细了解技术工艺的每一个环节。并且可以在动画中加入新旧技术工艺的对比动画，在时间、效果、步骤等各个方面的优势对比上更加直观地展示新技术新工艺的优越性和特点。

通过VR摄影机录制的实际应用的VR视频或者在虚拟场景中展开视频屏幕进行实际应用的影像展示，从而直观地展示新技术或者新工艺的实际应用效果。

优势：VR的引入可以让众多的展示方式融合成为一体，更加多方面地展示。

劣势：需要依据技术或者工艺的具体情况，合理地设计动画以及场景。

3.2.3 农业、生物、矿产等新品种展示

在新品种的展示上，把三维动画、三维场景搭建和实际拍摄完美地综合运用到VR交互中，可以非常全面具体地展示新品种。

植物类新品种，可以通过三维动画，360°展示新品种植物从萌发到凋零的完整生长过程，在每个生长时期都可以加入详细具体的生长特点特性注释和独立的动画。常见易患病虫害的患病状态也可以加入展示过程中，让新品种更具体地展示在使用者的面前。

动物类新品种，通过生物的三维模拟动态展示，全面展现生物不同时期不同性别的状态形态，包括动物的生长发育、生殖繁衍、生老病死等不同时期的习性及过程。360°全面分层展示动物的肌肉、骨骼、脏器、神经网络等细节。并且可以运用VR影像、VR直播或者场景内视频展示真实的生物生活场景。

矿产类新品种，运用三维动画展示矿物形态、矿物组成、分子结构和矿物特点等。运用三维场景的搭建，可以完美地还原矿物类新品种在自然界中的存在环境。

4结语

VR拥有着广阔自由的展现方式和功能的多样化。在未来，硬件技术的发展成熟之后，VR将会在其现有的可视化、听觉和交互的基础上延伸出更多的触觉嗅觉等感受，为使用者提供更加全面的体验，让使用者可以更加安全地接触到科技成果，无损无接触的情况下尝试、使用、体验科技成果。

虽然当前因为硬件技术上的限制，VR还无法非常细腻地在视觉上进行呈现，VR硬件设备价格还无法民用化，甚至还没有完全突破摆脱“恐怖谷效应”，但是随着VR技术的全面发展，更加低人工、低成本、高效率、高效果的 VR体验会慢慢融入人们的日常生活中。VR科技成果展示应用，也会让科技成果更加直观全面地展示给大家，让VR技术在科技成果的展示方面为我们带来更好的体验，才能促进科技成果在展示应用方面有更进一步的发展。

参考文献：

[1]张燕翔,等.虚拟/增强现实技术及其应用[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2017:1.

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