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【研报】虚拟现实行业系列深度研究:2019年中国虚拟现实关键技术概览-20200728[38页].pdf

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【研报】虚拟现实行业系列深度研究:2019年中国虚拟现实关键技术概览-20200728[38页].pdf

1、 1 报告编码19RI0796 头豹研究院 | 虚拟现实系列深度研究 400-072-5588 2019 年 中国虚拟现实关键技术概览 报告摘要 虚拟现实团队 虚拟现实呈像技术依托放大镜原理,在屏幕和透镜 之间设定人眼一倍焦距(7 厘米)以内距离,通过镜 片修正入射光、 折射光, 达到人眼能够看清眼球前 3 厘米至 7 厘米距离范围画面,并产生自然视觉体验 的目标。 虚拟现实技术链对应产业链, 分为硬件、 软 件、 交互、 服务等部分。 随虚拟现实设备结构逐渐成 熟, 其硬件技术趋于无线化, 软件技术趋于云化, 交 互技术以全场景为发展目标。软硬件及交互技术成 熟将带动虚拟现实消费级市场快速成

2、长, 远期在 5G 通信条件驱动下,虚拟现实产品形态将更加丰富。 热点一:虚拟现实硬件技术 热点二:虚拟现实软件技术 热点三:虚拟现实交互技术 虚拟现实核心硬件结构包括传感器、屏幕、处理器、光 学组件。其中,透镜功能及屏幕质量是影响虚拟现实呈 像效果的决定性因素。 相对手机等较为普及的移动设备, 虚拟现实设备组装件数量多,作业流程复杂,现阶段较 难通过代工完成组装。 虚拟现实软件技术可根据内容制作流程分解为建模、真 实世界数据跟踪、仿真、渲染等关键步骤。虚拟现实内 容以建模技术(静态建模、动态建模)、全景拍摄技术 为基础,以绘制、渲染、仿真等技术为辅。其中,拍摄、 绘制步骤成本较低,建模、渲染

3、、仿真步骤成本较高, 约占内容创作成本 70%或以上。 人机交互技术以人类交流方式作为参考,意在通过设备 和界面实现人与机器之间的类人交流。虚拟现实交互技 术相对传统人机交互更强调沉浸式交互体验,更具备拟 人特征。具体技术包括眼动追踪交互、手势交互、表情 交互、语音交互等。多通道交互技术条件下,虚拟现实 用户沉浸感更强。 8.3 15.8 34.6 52.8 106.8 203.2 386.8 737.2 1,405.1 2,678.1 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 亿元 中国虚拟现实行业市场规模 (按营收计) 年复合增长率 2014-201889.4

4、% 2018-2023年预测90.5% 贾雁 邮箱:eva.jia 分析师 行业走势图 相关热点报告 虚拟现实系列深度研究 2019 年中国虚拟现实应用概 览 虚拟现实系列深度研究 2019 年中国虚拟现实头显设 备行业市场研究 虚拟现实系列深度研究 2019 年中国虚拟现实内容行 业概览 1 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 目录 1方法论 . 5 1.1方法论 . 5 1.2名词解释 . 6 2虚拟现实技术综述 . 8 2.1虚拟现实工作原理 . 8 2.2虚拟现实技术分类 . 8 3虚拟现实硬件技术 . 10 3.1传感器 . 10 3.2屏幕 . 11 3.3

5、光学透镜 . 14 4虚拟现实软件技术 . 18 4.1三维建模技术 . 18 4.2动态绘制技术 . 21 4.3物理仿真技术 . 22 4.4三维全景技术 . 24 4.5虚拟现实软件工具 . 25 5虚拟现实交互技术 . 27 rQqPmMsNtMnPyQsNmQtMpM8OdN9PoMoOmOmMfQnNoRkPnPvMbRqQuMwMpMpONZnRrN 2 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 5.1眼动追踪交互 . 27 5.2手势、姿势交互 . 30 5.3表情交互 . 33 5.4语音交互 . 34 5.5多通道交互 . 35 3 此文件为内部工作稿,仅

6、供内部使用 报告编码19RI0816 图表目录 图 2-1 虚拟现实设备通过左右眼屏幕不同画面呈现虚拟现实效果 . 8 图 3-1Oculus 系列虚拟现实设备组装件拆分简图 . 10 图 3-2 不同参数级别屏幕对应产品定位分类 . 12 图 3-3 虚拟现实硬件设备搭载不同比例屏幕 . 13 图 3-4 不同像素密度水平画面质量对比 . 14 图 3-5 传统菲涅尔透镜及创新混合型菲涅尔透镜 . 15 图 3-6Valve 开发并采用双晶光学透镜 . 16 图 3-7 纳米材料超薄透镜结构及原理 . 17 图 4-1 虚拟现实内容制作流程分解示意图 . 18 图 4-2 几何物体模型体素示

7、例 . 19 图 4-3 线性插值法建模(左)与三次样条插值法建模(右) . 20 图 4-4 主流 3D 设计软件根据成本、使用难度指标划分 . 21 图 4-5 图形实时动态绘制、图像实时动态绘制示例 . 22 图 4-6 碰撞检测分为硬碰撞、软碰撞、间隙碰撞三种 . 24 图 4-7 三维全景拍摄工具软件示例(QuickTimeVR、杰图造景师) . 25 图 5-1 眼动仪探测瞳孔及普尔钦斑位置原理 . 28 图 5-2 不同眼动追踪方法性能表现 . 29 图 5-3 代表性虚拟现实手套产品及其特点 . 31 图 5-4 视频手势识别代表产品(微软 Kinect、Leap Motion

8、) . 31 图 5-5 虚拟现实手套惯性单元手势识别示例 . 32 图 5-6 虚拟现实表情交互系统组成部分简图 . 33 4 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 图 5-7 二叉树分类器方案应用于表情交互系统 . 34 5 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 1 方法论 1.1 方法论 头豹研究院布局中国市场,深入研究 10 大行业,54 个垂直行业的市场变化,已经积累 了近 50 万行业研究样本,完成近 10,000 多个独立的研究咨询项目。 研究院依托中国活跃的经济环境,从 8K 屏幕、建模仿真、人机交互等领域着手, 研究内容覆盖整个行业

9、的发展周期,伴随着行业中企业的创立,发展,扩张,到企 业走向上市及上市后的成熟期, 研究院的各行业研究员探索和评估行业中多变的产 业模式,企业的商业模式和运营模式,以专业的视野解读行业的沿革。 研究院融合传统与新型的研究方法, 采用自主研发的算法, 结合行业交叉的大数据, 以多元化的调研方法,挖掘定量数据背后的逻辑,分析定性内容背后的观点,客观 和真实地阐述行业的现状, 前瞻性地预测行业未来的发展趋势, 在研究院的每一份 研究报告中,完整地呈现行业的过去,现在和未来。 研究院密切关注行业发展最新动向,报告内容及数据会随着行业发展、技术革新、 竞争格局变化、政策法规颁布、市场调研深入,保持不断更

10、新与优化。 研究院秉承匠心研究,砥砺前行的宗旨,从战略的角度分析行业,从执行的层面阅 读行业,为每一个行业的报告阅读者提供值得品鉴的研究报告。 头豹研究院本次研究于 2019 年 11 月完成。 6 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 1.2 名词解释 普尔钦斑:由进入瞳孔的光线在角膜外表面反射产生的亮光点。 虹膜:眼球壁中层的扁圆形环状薄膜,位于角膜和晶状体之间。虹膜主要由结缔组织构 成,内含色素、血管、平滑肌。 角膜:眼球壁外层前部圆形透明部分,占外层面积六分之一,约 1 毫米厚,主要由无血 管结缔组织构成,具备折光作用。 瞳孔:动物眼或人眼内虹膜中心小圆孔,为光线

11、进入眼睛的通道。瞳孔括约肌收缩可使 瞳孔缩小,瞳孔开大肌收缩可使瞳孔散大,瞳孔通过开大与缩小控制进入人眼的光量。 视场:摄像头能观察到的最大范围,通常以角度表示,视场越大则观测范围越大。 FOV:视场角,光学环境中以光学仪器镜头为顶点,被测目标可通过镜头最大范围两条 边缘构成的夹角。显示系统中指显示器边缘与观察点(眼睛)连线形成的夹角。 马尔可夫模型:统计模型,广泛应用于语音识别、词性自动标注、音字转换、概率文法 等自然语言处理场景。 视觉算法:机器视觉,机器模拟动物视觉的算法。视觉算法由图像算法、分类和拟合算 法组成。 惯性传感器:用于检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度(Do

12、F)运 动数据指标的传感器,是解决导航、定向问题和进行运动载体控制的重要部件,包括加 速度计(或加速度传感计)、角速度传感器(陀螺)等。 DoF:Degree of Freedom,力学系统中表示独立坐标个数,包括平移自由度、转动自 由度、振动自由度等。 SDK:软件开发工具包,广义上指辅助开发某一类软件的相关文档、范例和工具集合。 狭义上指针对软件工程师的特定软件包、软件框架、硬件平台、操作系统等软件创作开 7 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 发工具集合。 双晶: 两个或两个以上同种晶体规则连生, 其中一个晶体是另一个晶体的镜像反映或其 中一个晶体旋转 180后与

13、另一个晶体重合或平行。 余晖:动态播放内容在终端呈现上一帧画面残留的现象。 体素:体积元素,数据于三维空间可被分割的最小单位,概念上类似二维空间最小单位 “像素”,应用于三维成像、科学数据与医学影像等领域。 交互: 互联网平台交流互动功能。 用户通过具有交互功能的互联网平台可获得所需资讯、 信息、服务,且可与其他用户或平台之间相互交流、互动。 线性插值:插值函数为一次多项式的插值方式,插值节点误差为零。线性插值相对其他 插值具有简单、方便等特点。 三次样条插值: 通过求解矩阵方程组得出曲线函数组的过程, 表现为通过一系列插值点 的光滑曲线。 关键帧:角色或物体运动、变化中关键动作所处的帧。关键

14、帧与关键帧之间动画可由软 件创建,称为过渡帧、中间帧。 PPI:Pixels Per Inch,像素密度,表示每英寸画面像素数量。PPI 数值越高,代表显示 屏能以越高密度显示图像,密度越高,拟真度越高。 RGB:工业界颜色标准,通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道变化及其叠加 效果获得各类颜色。 曲率:表示曲线偏离直线的程度。数学上指曲线在某一点弯曲程度的数值。 8 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 2 虚拟现实技术综述 2.1 虚拟现实工作原理 人眼观察事物主要依靠晶状体折射并传递光线功能。 因晶状体弹性有限, 人眼难以看清 眼球前方 7 厘米以内画面。

15、 虚拟现实呈像技术依托放大镜原理, 在头显设备屏幕和透镜之间 设定一倍焦距以内距离,通过透镜修正入射光、折射光,以达到人眼能够看清眼球前方 3 厘 米至 7 厘米距离范围画面并产生自然视觉体验的目标。虚拟现实设备根据人眼观察事物原 理,左右眼屏幕设置不同观察角度画面,以达到虚拟现实自然仿真效果(见图 2-1)。 图 2-1 虚拟现实设备通过左右眼屏幕不同画面呈现虚拟现实效果 来源:头豹研究院编辑整理 2.2 虚拟现实技术分类 虚拟现实技术链对应虚拟现实产业整体构成(硬件设备、软件系统、交互辅助设备、运 营服务等),可分为硬件技术、软件技术、交互技术等。其中,硬件核心技术涉及传感器、 显示屏、处

16、理器、光学设备等。软件技术以内容制作相关建模技术、绘制技术、全景技术、 仿真技术为主。交互技术从传统手柄手势交互逐渐拓展至语音、表情、眼动追踪等多元交互 技术领域。 9 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 随虚拟现实设备结构逐渐成熟,其硬件技术将趋于无线化,软件技术趋于云化,交互以 全场景应用为发展目标。技术成熟将带动虚拟现实消费级市场快速成长,远期在 5G 通信条 件驱动下,虚拟现实产品形态将更加丰富,商业模式将更加成熟。 10 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 3 虚拟现实硬件技术 虚拟现实核心硬件结构包括传感器、屏幕、处理器、光学组件。其

17、中,透镜功能及屏幕 质量是影响虚拟现实呈像效果的决定性因素虚拟现实设备相对手机等较为普及的移动设备 较为复杂,组装件数量多,作业流程复杂,现阶段较难通过代工完成组装。如 Facebook 开 发的 Oculus 系列虚拟现实设备元件数量超过 200 个,约为智能手机组装件数量 4 倍至 5 倍(见图 3-1)。 图 3-1Oculus 系列虚拟现实设备组装件拆分简图 来源:Facebook 官方,头豹研究院编辑整理 3.1 传感器 传感器设备可赋予物体感知压力、气味、光线、温度等指标的信息检测能力,在信息处 理层面包括数据传输、存储、显示、记录等功能。传感器基本元件可按检测指标对象不同分 为十

18、种(力敏、磁敏、放射线敏感、热敏、光敏、色敏、湿敏、气敏、声敏、味敏)。随落 地场景不断拓展(机械加工、智能手机、汽车制造等),传感器向智慧化、云化、多元化方 向发展,在规格上趋于微型化、系统化。 虚拟现实是对现实世界的高精度仿真, 其硬件设备对传感器数据传输精度和速率要求较 11 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 高,多采用 IMU 惯性传感器、动作捕捉传感器及其他类型传感器。 IMU 惯性传感器多用于人头部动作跟踪、捕捉,是虚拟现实硬件设备中的核心构成。 虚拟现实数字视觉画面主要以人体头部朝向作为校准坐标,IMU 惯性传感器捕捉头部运动 的准确性和实时性决定用户体

19、验 (视觉画面随头部运动实时变化、 交互信息随头部运动实时 更新)。根据感知对象不同,IMU 惯性传感器可细分为陀螺仪、地磁传感器、加速度传感器 等。 动作捕捉传感器多用于交互,可全方位捕捉肢体动作(横向移动、纵向移动)。根据具 体方案不同,动作捕捉传感器可细分为红外传感器、激光定位设备等。 其他类型传感器包括眼动追踪红外摄像头、电容感应传感器、接近传感器等,具备手势 识别、眼球活动追踪等功能。 现阶段,中国虚拟现实设备传感器以进口产品为主(多从美国、日本进口),国产化率 较低。全球范围内,一流大厂垄断虚拟现实传感器市场。为进一步降低虚拟现实终端硬件配 置成本,完善设备功能,提高用户体验,中国

20、企业需加大传感器自主研发力度。 3.2 屏幕 屏幕显示方式包括直视显示、微显示等,直视显示多应用于电视、手机、平板电脑、笔 记本电脑等设备。 虚拟现实设备属于直视型设计人眼可见画面设备, 其直视显示方式主要包 括 LCD、OLED 两种(见图 3-2)。 12 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 图 3-2 不同参数级别屏幕对应产品定位分类 来源:头豹研究院编辑整理 虚拟现实屏幕呈像效果受视场角、分辨率、像素密度等因素影响。现阶段具备虚拟现实 屏幕研发制造能力的企业包括京东方、创维、三星、Kopin、JDI 等。远期随显示屏产业链 技术成熟,虚拟现实屏幕成本有望持续降低

21、。 (1) 分辨率 虚拟现实设备引发视觉疲劳、 眩晕等问题多由屏幕呈像质量较低导致。 为保证终端用户 良好视觉体验,头显设备屏幕需达到单眼 4K 分辨率、双眼 8K 分辨率水平。不同厂商采用 头显设备屏幕规格不同,其比例需满足单眼 4K 分辨率要求(见图 3-3)。 13 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 图 3-3 虚拟现实硬件设备搭载不同比例屏幕 来源:头豹研究院编辑整理 (2) 像素密度 像素密度是决定画面质量的核心参数,屏幕像素密度越高,画面细节越丰富。视网膜级 别屏幕像素密度为每度 60 像素, 高于每度 60 像素时, 人眼已无法分辨额外画面细节差异。 虚

22、拟现实屏幕像素密度可通过基本计算获得。 以 Oculus DK1 为例, 该头显屏幕具备单 眼 640800 像素体量,单眼水平视场度为 90,以单眼横向像素数量除以水平视场度可得 到 7 像素密度,明显低于人眼视网膜像素密度。随技术发展,虚拟现实屏幕像素密度不断提 高,如 Sensics 系列产品最高已可达到 32 屏幕像素密度(见图 3-4)。 14 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 图 3-4 不同像素密度水平画面质量对比 来源:头豹研究院编辑整理 3.3 光学透镜 虚拟现实硬件设备核心光学组件为透镜。 为在虚拟视觉环境中实现自然画面深度、 扩大 视觉范围,虚拟

23、现实硬件设备需采用特定形状透镜。透镜与眼球间距离较小情况下,可采用 薄透镜扩大视场;透镜较厚情况下,需缩短透镜与眼球间距以扩大视场。 虚拟现实头显设备重量影响终端用户体验, 薄透镜有助于减小头显体积、 减轻头显重量, 轻型透镜受到设备厂商推崇。但相对普通厚度透镜,薄透镜加工难度较高(普通透镜厚度为 毫米级别, 薄透镜厚度为纳米级别, 最薄约 6.3 纳米) , 且易导致呈像失真、 色差大等问题。 虚拟现实硬件设备多采用菲尼尔透镜,并逐步向混合型菲涅尔透镜、双晶透镜、超材料 薄透镜等方向发展。 (1) 菲涅尔透镜 菲尼尔透镜较为轻薄, 其锯齿状侧面结构有利于保证近距离画面呈像效果稳定性。 受制

24、于设备构造及功能要求, 头显硬件开发工程师多选择菲涅尔透镜。 当前采用菲涅尔透镜的主 流虚拟现实设备包括 HTC Vive、Oculus Rift 等。 菲涅尔透镜在具备轻薄、稳定等优势的同时,在曲率准确性方面存在局限。光线通过菲 15 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 涅尔透镜表面多层次螺纹后,无法聚焦于同一点,影响画面清晰度,曲率准确度相对普通透 镜较低。为弥补曲率及焦点部集中问题,Facebook 研发人员尝试开发混合型菲尼尔透镜, 将菲涅尔脊体向外围移动,以提高光学清晰度,优化曲率准确性(见图 3-5)。 图 3-5 传统菲涅尔透镜及创新混合型菲涅尔透镜 来源

25、:不列颠百科全书官网、阿里巴巴官网、美国专利局,头豹研究院编辑整理 (2) Valve 双晶透镜 HTC 基于菲涅尔透镜研发 Valve 双晶透镜,并通过搭配屏幕柔光镜来提高虚拟现实呈 像效果。Valve 系列 Index 头显是采用双晶透镜的具体案例(见图 3-6)。双晶透镜有助于 提高画面透明度并减少透镜失真问题,但可能导致透镜眩光等不良视觉效果。 16 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 图 3-6Valve 开发并采用双晶光学透镜 来源:GamerToTheEnd 官网,头豹研究院编辑整理 为缓解双晶光学组件可能产生的不适感,设备厂商可选择搭配屏幕柔光镜(柔焦镜

26、)。 屏幕柔光镜表面凹凸不平,本质为经过腐蚀的透明玻璃。光线通过柔光镜发生散射现象,进 而达到画面轮廓柔化效果。 轮廓柔化有助于减少因图像模糊而导致的纱窗效应, 改善用户视 觉体验。 (3) 新型透镜 应用于虚拟现实设备的新型透镜可以纳米超材料薄透镜为例。2018 年,哈佛大学保尔 森工程研究员发表以纳米超材料透镜为主题的论文。 该透镜通过特殊结构可控制不同波长的 光线聚焦水平,有助于达到薄透镜清晰呈像目标(见图 3-7)。 17 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 图 3-7 纳米材料超薄透镜结构及原理 来源:Nature Nanotechnology 官方、光学快报

27、期刊,头豹研究院编辑整理 传统透镜采用曲面玻璃, 不同波长光线通过曲面玻璃无法聚焦于相同位置, 从而导致画 面模糊问题。传统设备厂商多采用多透镜设置方式,但多透镜导致设备重量、厚度、复杂度 增加,同时推高制造成本。 纳米超材料薄透镜采用矩形纳米结构, 相对玻璃结构厚度降低约 1,000,000 倍。 该种透 镜由二氧化钛制成,构造更加紧凑,可将光谱中不同颜色光线聚焦于一点,支持更广光谱范 围高质量成像,无需多透镜设置即可实现多种颜色环境下清晰呈像。 18 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 4 虚拟现实软件技术 虚拟现实软件技术可根据内容制作流程分解为数据跟踪、建模、仿

28、真、渲染等关键步骤 (见图 4-1)。虚拟现实内容以建模技术(静态建模、动态建模)、全景拍摄技术为基础, 以绘制、渲染、仿真等技术为辅。其中,拍摄、绘制步骤成本较低,建模、渲染、仿真步骤 成本较高,约占内容创作成本 70%或以上。 图 4-1 虚拟现实内容制作流程分解示意图 来源:头豹研究院编辑整理 4.1 三维建模技术 (1) 建模技术指标 建模过程是将真实物体几何信息数据结构及物体运动数据结构复刻至虚拟环境的过程。 虚拟现实内容建模质量直接影响用户体验,建模水平可根据以下四个关键技术指标衡量: 精确度:不同类型内容对建模精确度要求各异。2018 年以来,中国约 30%虚拟现实内 容产品围绕

29、 To B 端企业培训主题制作,其中高危、高精尖类职业培训内容(如手术、 军事训练等)对建模精确度要求较高,手术培训场景精确度须达到 90%或以上。 显示速度: 为保证用户获取连续视觉观感, 基于模型的虚拟图像更新频度须达到每秒 20 次以上。显示频度低于 20 次时,用户易受余晖、画面延迟等问题干扰。 19 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 操作效率: 模型建立需充分考虑物体运动路径之间是否有冲突, 不同物体运动频度是否 协调。 运动轨迹协调度对终端用户交互体验影响较大, 运动速率不协调易导致晕动症等 问题。 构造难度:过于复杂的模型构造易导致计算量过大,构造迟缓等

30、问题。模型建立需满足 快速构造、快速显示的需求。 (2) 静态几何建模技术 技术人员基于物体几何性质,研究图形数据结构,在数字世界构造物体原子单位。原子 单位表现形式为“体素”,模型体素大小、类型选择决定几何物体范围(见图 4-2)。 图 4-2 几何物体模型体素示例 来源:CDSN 官网,头豹研究院编辑整理 几何建模具体方法包括层次建模和属主建模两种。 层次建模用树形结构分析实际物体几 何形状构成, 树形图示有利于复杂物体结构简单化及后续修改。 属主建模法具备多元母版几 何模型, 属主母版包含详细几何结构, 技术人员可在复制属主母版基础上进行加工达到具体 物体建模需求。 (3) 动态行为建模

31、技术 行为建模以物体运动轨迹为描述对象, 多以动画形式呈现。 行为建模技术可具体分类为 运动学法和动力学仿真法(见图 4-3)。 20 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 运动学法通过几何变换(平行移动、旋转等)描述运动,无需掌握物体运动力学物 理特征。 以关键帧动画为例, 设计人员可通过几何图形快速变化实现物体运动效果。 以内插帧动画为例, 设计人员可采用线性插值和三次样条插值等手段达到动态建模 效果。 图 4-3 线性插值法建模(左)与三次样条插值法建模(右) 来源:阿里云、MATLAB 论坛官网,头豹研究院编辑整理 动力学仿真法区别于运动学法, 技术人员需充分了解

32、物体运动物理特征, 通过严格 计算得到描述物体质量、惯性、作用力等物理属性的数据。动力学仿真法描述运动 更符合真实物体运动规律, 适合交互操作较为复杂的内容。 如培训类虚拟现实内容 对交互仿真度要求较高,更适于采用动力学仿真法建模。 (4) 虚拟现实建模软件 技术人员常用虚拟现实建模软件包括 3dsMax、MAYA、Creator 等,不同软件价格、 使用难度各异 (见图 4-4) 。 随软件技术成熟, 操作简单、 成本低廉的 3D 建模软件如谷歌、 Block、Medium、Quill、微软 Paint3D 等平台可为设计人员提供沉浸式控制器简易 3D 模 型制作服务。 21 此文件为内部工

33、作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 图 4-4 主流 3D 设计软件根据成本、使用难度指标划分 来源:头豹研究院编辑整理 成本、使用难度较为适中的常用虚拟现实建模软件可以 3dsMax、MAYA、Creator 为 例: 3dsMax 软件由美国 Autodesk 开发,具备三维建模、体素制作、光效设定、高 速摄像机、特效创作、渲染等多元功能,可提供静态建模及动态建模解决方案。 MAYA 具备建模、动画、特效创作、渲染等功能,相对 3dsMax 更适于制作大型 游戏、电影等内容建模。 Creator 由 MultiGen Paradigm 开发, 具备矢量建模、 各种地形精确生成等功

34、能, 可提供大面积 3D 地形构造方案,可生成、优化三维数据库。 4.2 动态绘制技术 (1) 动态绘制技术原理 动态绘制技术以形状或图像为描述对象, 通过计算机绘制手段为用户提供可从任意角度、 任意视点实时观察的三维图像。 评价动态绘制效果的关键技术指标包括图像刷新频率及反馈 时长等。 22 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 刷新频率: 为保证虚拟现实动态画面正常演示, 设计人员需保证动态绘制刷新频率 不低于每秒 60 帧。 反馈时长: 虚拟现实内容交互过程中, 从用户发起动作到显示器给予反馈之间的时 差称为响应时长,动态绘制画面响应时长需保持在毫秒级别。 (2)

35、动态绘制技术分类 根据绘制对象不同, 动态实时绘制技术可细分为图形绘制、 图像绘制两种 (见图 4-5) 。 其中,图形动态绘制包括场景分块、细节选择等具体操作。图像动态绘制多用二维空间形状 动态实时变化替代三维几何建模。 虚拟现实内容创作过程采用图像动态绘制技术相对采用三 维几何建模技术可节省约 40%时间成本。 图 4-5 图形实时动态绘制、图像实时动态绘制示例 来源:CDSN 官网,头豹研究院编辑整理 4.3 物理仿真技术 (1) 物理仿真技术原理 物理仿真技术基于动力学、生物力学等物理定律,模拟、控制数字化物体运动模式。采 用该技术创作的虚拟现实内容普遍受物理规律支配。 通过物理仿真技

36、术, 创作人员可设计出 23 此文件为内部工作稿,仅供内部使用 报告编码19RI0816 高度自然、逼真的动画效果。 (2) 物理仿真技术特点 物理仿真技术在几何运动控制方面相对建模技术、绘制技术更具优势,具体如: 可创建完全符合真实运动特征、力学特征的运动轨迹(如体育训练、军事训练内容); 交互层面相对关键帧技术、动态图像实时绘制技术精确度提高 30%以上。 该技术劣势在于计算量过于庞大,需占用大量 CPU 处理时间解决力学运动公式计算问 题。同类画面内容条件下,物理仿真技术计算量约为建模技术计算量 5 倍或以上,约为动态 绘制技术计算量 10 倍或以上。 (3) 物理仿真技术示例 建立数学模型 技术人员根据虚拟现实内容需求,建立行为、运动数学方程组,并通过数学模型公式设 定对象外观特征(体积、颜色、形状)、物理特征(重量、硬度)及相关物理规则(引力、 阻力)。 设定物理属性 设计人员预先设定虚拟物体运动物理过程, 利用软件公式描述物理过程, 通过计算机命 令程序实现模型物理属性、力学特征

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