VR技术（虚拟现实）

简介

VR是Virtual Reality的缩写，中文的意思就是虚拟现实（真实幻觉、灵境、幻真），也称灵境技术或人工环境。概念是在20世纪80年代初提出来的，其具体是指借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段。^[18]虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

1992年美国国家科学基金资助的交互式系统项目工作组的报告中对VR提出了较系统的论述，并确定和建议了未来虚拟现实环境领域的研究方向。可以认为，虚拟现实技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，它在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，能使用户具有身临其境的沉浸感，具有与环境完善的交互作用能力，并有助于启发构思。^[21]所以说，沉浸一交互一构想是VR环境系统的三个基本特性。虚拟技术的核心是建模与仿真。

虚拟现实广泛应用于医学、娱乐、军事航天、室内设计、房产开发、工业仿真、应急推演、游戏、地理、教育、水文地质、维修、培训实训、船舶制造、汽车仿真、轨道交通、能源领域、生物力学、康复训练和数字地球等。

起源

早在20世纪40年代，美国就已开始了飞行模拟器的设计。随着计算机技术尤其是计算机图形技术的发展，这种模拟器又发展为大屏幕显示器和全景式情景产生器。1965年，Ivan Sutherland（被称为计算机图形学之父）发表论文《TheUltimate Display(终极的显示)》，描述了一种把计算机屏幕作为观察虚拟世界窗口的设想，这被看作是虚拟现实技术研究的开端。1968年，Ivan Sutherland又提出了头盔式三维显示装置的设计思想，并给出一种设计模型，这奠定了三维立体显示技术的基础。之后此领域一直没有突破性的发展，直到20世纪80年代初，才由Jaron Lanier正式提出“Virtual Reality”这一名词，同时一系列的更完善的仿真传感设备（如头盔式j维显示器、数据手套、数据衣、立体声耳机等）以及相应的计算机软硬件系统也被研制出来了。到了90年代，对VR技术的研究更加普遍，发展也更为迅速。

关键技术

动态环境建模技术

虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。

实时三维图形生成技术

三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧/秒，最好高于30帧/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。

立体显示和传感器技术

虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟长、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。

应用系统开发工具

虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。

系统集成技术

由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等。

特点

虚拟现实被认为是多媒体最高级别的应用。它是计算机技术、计算机图形、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、立体显示技术、传感与测量技术、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人T智能技术等多种高新技术集成之结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。虚拟现实技术有以下几个特点。

沉浸性(immersion)

又称临场感，指用户对虚拟世界中的真实感。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。

交互性( interaction)

指用户对虚拟世界中的物体的可操作性。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

构想性(imagination)

又称自主性，指用户在虚拟世界的多维信息空间中，依靠自身的感知和认知能力可全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求对问题的完美解决。

由于沉浸性、交互性和构想性三个特性的英文单词的第一个字母均为I，这三个特性又通常被统称为3I特性。

虚拟现实技术的使用有着非常重要的现实意义，而且现已用在诸多领域： 

娱乐领域

丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对VR的真实感要求不是太高，故近些年来VR在该方面发展最为迅猛。如Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；近几年推出的Oculus Rift是一款为电子游戏设计的头戴式显示器，以虚拟现实为用户提供更好的体验，并推出了开发者版本，如今已有许多游戏对其支持。 

军事航天领域

军事领域的研究一直是推动虚拟现实技术发展的原动力，目前依然是主要的应用领域。如模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为VR提供了广阔的应用前景。美国国防部高级研究计划局DARPA自80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统，以提供坦克协同训练，该系统可联结200多台模拟器；美国空军技术研究所( Air Force Institute of Technology)也在利用VR开发培养实际空军操作人员的环境；美国宇航局( NASA)目前已建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并建立了能够供全国使用的VR教育系统，用以模拟实际环境培养训练宇航员。 

医学领域

虚拟现实技术可以弥补传统医学的不足，主要应用在解剖学、病理学教学、外科手术训练等方面。在教学中，虚拟环境可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，学生可以很容易了解人体各器官结构，这比现有的采用教科书的方式更加有效。在医学院校，学生可在虚拟实验室中，进行“尸体”解剖和各种手术练习。^[8]同样，外科医生在真正动手术之前，可以通过虚拟现实技术的帮助，在显示器上重复地模拟手术，完成对复杂外科手术的设计，寻找最佳手术方案，这样的练习和预演，能够将手术对病人造成的损伤降至最低。^[20] 

艺术领域

虚拟现实技术作为传输显示信息的媒体，在艺术领域有着巨大的潜力应用。例如，VR技术能够将静态的艺术（如绘画、雕塑等）转化为动态的，可以提高用户与艺术的交互，并提供全新的体验和学习方式。 

教育领域

针对教育，虚拟现实技术应用是教育技术发展的一个飞跃。虚拟学习环境、虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境。^[15]亲身去经历的“自主学习”环境比传统的说教学习方式更具说服力。虚拟实验利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，如物理、化学、生物实验室等等，利用VR能够极有效地降低实验室成本投入，并让学生获得与真实实验一样的体会，得到同样的教学效果。^[5] 

文物古迹

利用虚拟现实技术，可以对文物古迹的展示和保护带来更大的发展。将文物古迹通过影像建模，更加全面、生动地展示文物，提供给用户更直观的浏览体验，使文物实时实现资源共享，而不需要受地域所限制，并能有效保护文物古迹不被过度游客的游览所影响。同时使用三维模型能提高文物修复的精度、缩短修复工期。 

生产领域

利用虚拟现实技术建成的汽车虚拟开发工程，可以在汽车开发的整个过程中，全面采用计算机辅助技术来缩短设计周期。例如，福特官方公布过一项汽车研发技术——3D CAVE虚拟技术。设计师戴上3D眼镜坐在“车里”，就能模拟“操控汽车”的状态，并在模拟的车流、行人、街道中感受操控行为，从而在车辆未被生产出来之前，及时、高效地分析车型设计，了解实际情况中的驾驶员视野、中控台设计、按键位置、后视镜调节等等，并进行改进，这套系统能够有效控制成本地进行汽车开发。

一、地产漫游：在虚拟现实系统中自由行走、任意观看，冲击力强，能使客户获得身临其境的真实感受，促进了合同签约的速度。

二、虚拟样板间：用于商业项目长期招商、招租、用于各类评比活动。一次性投入，可以应用在项目报批、建设、销售、招商招租等各个环节，并可以永久使用。

三、多专业协调：多类型车辆行驶路线与其他布置、净空高度，如道路桥梁仿真。

四、网上看房：租售阶段用户通过互联网身临其境的了解项目的周表环境、空间布置、室内设计。

五、场馆仿真：提前展示真实场馆风貌、辅助审批设计、规避设计投资风险。

VR技术

但人们看好VR，因为它不仅是一项代表未来的新技术，而且是互联网科技产业链发展同人们日益增加的娱乐需求相交的产物，是顺势而生的新事物。从表面上看，VR的核心价值，是能将视听体验带到一个新高度。从深层上看，那可能就非同小可了。当下全球VR设备主要以眼镜和头盔为主，中国的发展进度基本持平，但规模较小。在全球范围内，普遍存在几大问题是：其一，佩戴使用体验不佳；其二，内容匮乏，难以满足需求；其三，缺乏统一规范。这里值得注意的是，历史无数次告诉我们，原以为的问题将都不是问题。

2016中国梦微电影大赛启动 VR全景微电影成为新亮点，很多人喜欢用VR眼镜看电影。^[12]

六、教育：虚拟现实技术在教育领域的应用主要集中在支持学习环境创设、支持技能实训、支持语言学习、支持特殊儿童教育四个方面。

虚拟现实技术能够全方位调动学习者的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等，实现身心感受的联结，增强学习者的感受力。

虚拟现实技术在教育领域应用的潜力源于其在激发学习动机、增强学习体验、创设心理沉浸感、实现情境学习和知识迁移等方面的优势。

技术平台

传统的信息处理环境一直是人“适应”计算机，而我们的目标或理念是要逐步使计算机“适应”人，使我们能够通过视觉、听觉、触觉、嗅觉，以及形体、手势或口令，参与到信息处理的环境中去，从而取得身临其境的体验。^[19]这种信息处理系统已不再是建立在单维的数字化空间上，而是建立在一个多维的信息空间中。虚拟现实技术就是支撑这个多维信息空间的关键技术。^[4]

行业前景

首先，硬件技术的局限。^[17]目前设备使用不便、效果不佳等问题仍然突出，硬件的处理速度远不能满足在虚拟世界中实时处理大量数据的需求。^[10]相关设备的价格也十分高昂，一个头盔式显示器加上主机的成本动辄上万元。

其次，软件可用性差。^[1]受硬件局限性的影响，虚拟现实软件开发花费巨大且效果有限，相关的算法和理论也尚不成熟。^[7]在新型传感机理、集合与物理建模方法、高速图形图像处理、人工智能等领域，都有很多问题亟待解决。三维建模技术也需进一步完善。^[6]

第三，应用领域有限。^[2]目前，虚拟现实技术主要应用于军事和高校科研，在教育、工业领域应用还远远不足，未来应努力在民用领域的不同行业发挥作用。^[14]

第四，效果不够理想。在虚拟现实的感知方面，有关视觉合成方面的研究较多，对听觉、触觉关注较少，真实性、实时性不足，基于嗅觉、味觉的设备还没有实现商品化。此外，在交互效果方面，虚拟现实技术与人的自然交互不足，在语音识别、人工智能方面的效果尚不能令人满意。^[11]

手机VR

国内智能手机市场的竞争是最为激烈，厂商之间的无硝烟战争更是涉及多个领域战况甚是惨烈。现在这种较量已经不局限于手机领域，已经蔓延到了风头正盛的VR行业。其实不少手机厂商早已经盯上这块蛋糕，纷纷布局了该领域，并先后推出了自家的VR头显设备。^[9]