虛擬現實技術的“前生今世”

王學松 于文江

（1.北京師范大學虛擬現實應用教育部工程研究中心；2.北京師鐸教育科技有限公司）

虛擬現實技術的“前生今世”

1王學松2于文江

（1.北京師范大學虛擬現實應用教育部工程研究中心；2.北京師鐸教育科技有限公司）

提到“虛擬現實”，人們腦海里馬上會浮現出一幅可能來自30世紀的畫面：一襲裝備著電纜和跟蹤定位器的黑衣、頭戴完全封閉的頭盔、手上戴著數據手套，面對炫酷的三維立體屏幕，在空氣指指點點，與周圍世界格格不入。這是一系列美國大片《黑客帝國》、《盜夢空間》、《虛擬偶像》里面描繪的虛擬現實未來場景，也是虛擬現實技術專家在幾年前給人們繪制的未來生活前景。

1 什么叫“虛擬現實”

1.1“虛擬現實”是什么

虛擬現實（Virtual Reality）實際是“人類利用計算機合成人工世界”，是一項利用計算機創造出真實世界的三維仿真環境，并提供身臨其境感覺的視覺模擬和信息交流技術。虛擬現實與人工智能、互聯網技術一起將成為改變人類未來生活、交流、工作的重要技術，虛擬現實技術，為人類提供了跨越時間和空間來觀察宏觀和微觀世界的新方法。

虛擬現實技術是利用計算機圖形技術、人工智能技術、人機交互技術、網絡技術、傳感技術，并經過進一步的集成、融合、發展，形成的一體化計算機輔助的模擬系統。與傳統的仿真或模擬技術相比，其主要特征是：操作者能夠真正進入一個由計算機生成的可互動數字化三維虛擬環境，通過參與者與虛擬環境的相互作用，并借助人類感知和認知能力，在虛擬空間中獲取知識、開展實踐、完成工作。

1.2怎么定義“虛擬現實”

虛擬現實技術尚沒有一個令各方都滿意的明確定義。虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是指采用計算機圖形技術，生成逼真的虛擬環境，通過對人類視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，人們通過特殊輸入輸出設備利用手勢、姿態等自然的方式與虛擬世界的物體進行交互，相互影響，從而產生親臨真實環境的感覺和體驗。

按照技術專家的定義，VR利用計算機的軟硬件資源實時生成與現實物理世界對應的三維虛擬世界，從視覺、聽覺、運動覺、觸覺、味覺、嗅覺等多感官通道為用戶提供身臨其境的真實感覺，提供用戶與虛擬世界進行自然交互。

2 虛擬現實的發展

2.1“虛擬現實”概念的產生

虛擬現實技術其實并不能算人類近年來創造出來的全新技術，早在1963年，電子計算機還剛剛開始投入使用不久，就誕生了聲音和立體形象結合的虛擬現實技術思路。到1968年，第一套頭盔式現代意義的虛擬現實系統產生。20世紀80年代，“虛擬現實”概念正式誕生。在將近半個世紀時間里，科學家不斷給我們描繪虛擬現實的美好前景，美國大片里不斷出現未來虛擬現實的場景，但在實際應用中，虛擬現實卻陷入長期的儲備期。

2.2虛擬現實近兩年為何發展迅速

虛擬現實技術是多個領域技術的融合與集成，其發展本身受到計算機圖形技術、顯示技術、交互技術的制約。長期以來，顯示技術未形成大的突破，讓然停留在小尺寸屏幕階段，無法形成人類視覺真實模擬；計算機交互技術長期依賴于鼠標和鍵盤，沒有可實用的三維交互技術；虛擬現實技術軟件、模型場景開發停留在人工、小作坊階段，難以形成有影響力的應用場景；計算機計算能力嚴重不足，只能滿足離線場景繪制和渲染，復雜場景需要數小時，甚至幾天的繪制才能完成。其次，網絡帶寬不足，難以支持三維真實場景的快速遠程繪制、傳遞。綜合這些技術性制約，虛擬現實技術很難有大的突破，只能是技術人員和研究人員在實驗室環境里的高科技玩具。

近年來，一方面虛擬現實技術依賴和集成的基礎技術內容不斷發展進步，計算能力、現實技術、網絡帶寬、繪制技術、交互技術都有了長足進步，使得虛擬現實進一步發展成為可能；另一方面，虛擬現實隨著幾大廠商的專注與加大投入，使虛擬現實迅速成為投資熱點，來自產業界的利益驅動，大大推動虛擬現實技術正在飛速走進人們生活。2012年，Google發布谷歌眼鏡，奏響虛擬現實新一輪發展的序曲；2014年，Facebook以20億美元收購虛擬現實設備Oculus Rift，蘋果公司收購虛擬現實技術公司，引起信息產業界的巨大震動。隨后，三星、索尼、微軟一批世界頂級公司加入虛擬現實戰團。虛擬現實技術產業蓬勃欲出，蓄勢待發。

3 虛擬現實有哪些特征

虛擬現實技術具有三個最典型的特征，即即沉浸感（Immersion）、交 互 性（Interaction） 和 構 想 性（Imagination），稱為“3I”特性。

浸沉感指的是人浸沉在虛擬環境中，使參與者有“真實”的體驗，這種體驗即全身心地進入，理想情況下虛擬環境應該達到使用戶難以分辨真假的程度，具有和在真實環境中一樣的感覺。

虛擬現實的交互性（interactive），使虛擬環境中體驗者不是被動地感受，而是可以通過自己的動作改變所處的環境、感受的內容，大大增加了虛擬現實的應用能力和范圍。

虛擬現實的構想性（imaging）指虛擬的環境可以來自真實，也可以是人構想出來的。體現了虛擬顯示廣闊的可想象空間，可拓展人類感知器官的認知范圍，可以再現真實的環境，也可以構想、創造出可觀不存在的環境。

虛擬現實的3個基本特性，通過沉浸感、交互性和構想性的虛擬環境，為虛擬現實的領域應用提供了無限的可能。

4 虛擬現實可以應用到哪些領域

虛擬現實應用領域廣泛，從早期的軍事應用，虛擬現實技術被廣泛地應用于軍事訓練、工業設計及制造、教育、醫療、數字娛樂、文化保護等領域。

人們很早就意識到了虛擬現實在軍事、工業訓練方面的應用可能性，個人感覺讓人們最為期待的改變莫過于最貼近日常生活的教育、娛樂、文化領域的應用前景。不妨稍微展開進行介紹：

4.1虛擬現實軍事領域應用

軍事仿真應用需求是現代化數字戰場的重要需求，與機械化戰爭相比，未來戰爭必將面臨技術環境更為復雜、速度更快、設計的緯度和領域更為廣泛。在復雜的戰場環境中，如何利用虛擬現實真實性、交互性、沉浸性的特點快速模擬出真實戰場環境，進行訓練和模擬，增強作戰能力，如何將現場的真實場景，快速再現，提供作戰輔助和決策支持能力，對虛擬現實提出了重要需求。

目前軍事領域的模擬包括戰場環境的模擬、自然氣象環及國內的模擬、武器裝備模擬、動態演練的模擬。世界上，以美國為代表，形成了利用虛擬現實進行戰爭模擬演練 的SIMNET（1983年 ）、STOW （1998）、WARSIM（2000）等技術。近期又開展了一系列新的虛擬現實應用項目例如“紅旗軍演”、 “全球綜合訓練環境”計劃等。虛擬現實仿真與實戰逐步一體化，形成了立體三維戰場環境、氣象模擬、虛實結合的新型訓練、實戰應用解決方案。

我國的軍事應用大多用于戰爭演練、戰場模擬、訓練輔助應用，兵棋推演、指揮模擬、模擬訓練等等得到了系列的部署與應用。為推動軍隊現代化建設，為提升部隊戰斗力和進一步發展現代軍用仿真技術體系儲備了人才和技術。

4.2虛擬現實教育領域應用

虛擬現實在教育中的應用將徹底改變傳統的教學模式和學習方式，學生可以經歷他們從來沒有經歷過的場景并獲得前所未有的體驗。物理課堂上學生可以進行所有的實驗，控制所有的物體變化、從不同角度觀察它們；數學課堂上學生可以觀察到方程式的內部過程；在英語課堂上學生可以在莎士比亞世界劇院中暢游。在虛擬現實中，人和環境間的交互將得到更全面、更深入的體現。未來教學中，虛擬現實技術可以融合多種媒體信息以可視化的方式展示不同種類教育資源的多時空狀態，先進性不言而喻。

目前虛擬現實技術改進教學方法已經有一些最初的雛形，美國華盛頓大學和美國西屋科學基金會自1994 年11月共同發起了一項流動教學計劃，一批裝有電腦三維虛擬設備的流動教學車奔馳在華盛頓州，為中小學生提供三維動畫虛擬現實教學服務。發起者希望通過虛擬現實新技術，給中小學生們提供更直觀、更形象的教學，提高他們的領悟和參與能力。美國自然基金資助的“圓地球計劃”，是探索如何通過虛擬現實手段來教中學生學習像“地球是圓的”這樣不直觀的概念。意大利Catholic University of Sacred Heart認知心理學實驗室ALESSANDRO ANTONIETTI，通過虛擬現實系統進行機械工具使用的教學實驗探討虛擬現實技術對教育的影響。實驗表明，虛擬現實技術在教育中的應用帶來了很多好處，從學生和教師兩方面的反映表明，虛擬現實的學習方式極大的提高了學習過程的效率，VR 是一個好的教學媒體。英國在利用VR技術進行教育教學方面，第一個廣泛宣傳的教育VR工程在Newcastle-Upon-Type中學建立，以Dimension International的技術為基礎，初步確定使用Dimension的VR軟件包。該校探索用VR進行外語和工業安全培訓的方法。同時在教育和學術方面對虛擬技術進行研究和探索還有諾丁漢大學的VIRATR(Virtual Reality Application Research Team)項目，其目標主要在于探索桌面VR的輸入設備。此外，VIRATR小組還和學校緊密合作，把桌面VR系統用于學習上有困難和身體嚴重殘疾孩子的教育上。新加坡今年設立了探討虛擬教師指導虛擬學習的問題的“虛擬世界中的虛擬學習”，我國臺灣設立旨在通過虛擬現實技術和遠程學習的手段提高基礎教育水平的科研計劃。甚至在不發達的非洲地區，聯合國教科文組織在非洲開展用虛擬現實技術提升當地教育水平的計劃。

4.3虛擬現實文化遺產保護領域應用

虛擬現實可以應用于文化遺產的數字化保護、再現展示和虛擬旅游。利用數字化技術和虛擬現實對中華文化遺產進行復原及保護變成了可能。

我國擁有幾千年的文明歷史，文物資源均極為豐富。但是歷經千百年風化侵蝕、戰火洗禮，文物中的相當一部分已殘缺或成為碎片。怎樣將這些文物按原始形狀復原出來、傳承下去，再現其歷史價值？這是考古工作者的心愿和億萬游客的期望。

數字化技術及虛擬現實技術對于中華文化遺產的保護可以從兩方面開展。一方面是古遺產的復原與再現，數字化的文化遺產將可永久的存儲，隨時再現，完成文化遺產實質性的保護；另一方面是運用信息技術手段對現有文化遺產保護的宣傳、展示和普及，從而，形成較為完善的現代文化遺產保護體系。利用虛擬現實，進一步挖掘、擴大文化遺產的影響力和潛在應用價值。

4.4虛擬現實文化創意娛樂產業應用

虛擬現實在文化創意產業中的應用，主要包括游戲動漫、影視娛樂，以及書法、舞蹈音樂等方面的應用。

在藝術方面，可以應用于新型的數字繪畫、數字書法、數字藝術的創作，形成新的藝術內容和展示形式。在動畫方面，可以提供二維/三維動畫展示，提供數字動畫制作工具，形成具有代表性的動畫產品。搭建大型的虛擬數字場景，用于電影、電視的拍攝，提供各種特效效果的模擬，支持后期創作。

舞蹈音樂方面，可以利用Kinect、動作捕捉設備，形成對舞蹈過程的精確記錄、分析，用戶教學、訓練糾正等等環節。還可以形成數字舞美場景，進行現場展演，構建虛擬演員，形成新的演出模式。實現舞蹈動作的三維捕獲和展示。系統為計算機技術應用于舞蹈的傳播、教學、編排以及文化遺產保護等提供了平臺和手段。

4.5虛擬現實的醫學應用

虛擬現實在醫學領域，可以使得醫生更容易理解對人體的結構和功能。同時對于特定器官的恢復和手術指導都具有重要的作用，借助高精度機器人技術，甚至實現遠程會診和遠程手術。

改變傳統的光學內窺鏡技術，構建虛擬內窺鏡技術(Virtual Endoscope, VE)是隨著計算機技術、計算機圖形學、計算機圖像處理、尤其是虛擬現實等學科的發展而逐步形成的一種獨特的醫學圖像后處理技術。它通過CT，MRI等設備，獲取人體的各種影像數據，使用先進的醫學圖像處理技術，重建和實現三維圖像，形成虛擬人體組織。然后把視點置入虛擬的人體器官中，進行視點漫游，通過變動視距，調整視角，對視點前方組織結構進行動態的實時繪制和顯示，從而達到輔助醫生在計算機屏幕上完成醫療檢查及診斷的功能。

利用虛擬現實場景，進行遠程可視化和輔助診療，支持遠程可視化的交互展示、協同會診，以及對病灶區的識別、檢測與標注，為醫生提供支持。改變傳統針灸技術，傳統中醫的經絡圖譜只是在人體二維圖像上進行簡單的勾畫，不能表現經絡腧穴與真實人體在三維空間的立體分布關系，很難幫助學習者記憶和掌握經絡腧穴學中取穴配穴的方法，而取穴的精度和配穴的合理性直接關系到針灸治療的效果和患者的安全，進行虛擬針灸訓練。未來遠程的虛擬顯示環境下的診療，遠程手術將成為一種主流的醫療模式。

5 虛擬現實還有哪些問題和困難

隨著虛擬現實技術的進一步發展，它必將對未來的社會生活產生廣泛而深遠的影響。然而，現有的虛擬現實應用系統開發周期長、難度大、成本高、真實感和體驗差，究其原因目前還沒有統一規范的虛擬現實應用體系與標準，技術應用還缺乏殺手級應用。

5.1 虛擬現實缺乏認知、倫理和哲學社會學考慮

虛擬現實應用系統，從總體上還缺乏技術倫理、哲學層面的支撐。對于虛擬現實環境下，對人類認知的影響、對人類行為和情緒的影響，尚停留在實驗室階段。虛擬環境和真實環境對人的影響究竟有何差別，缺乏準確認識。對類似網絡游戲中暴力因素帶來的社會負面影響，還沒有考慮虛擬環境中色情、暴力等等負面因素的管控策略。3D模型的數字知識產權管理，缺乏技術手段支持。

同時缺乏對數字藝術審美規律與認知規律的理論支持，缺乏對虛擬環境下人類審美感官及審美心理的了解，未能充分認識虛擬環境與真實環境之間的認知差異，對數字藝術的審美和認知缺乏有效地評價手段；對人類藝術、審美的影響不容忽略。

5.2虛擬現實技術期待工程化規范體系

信息時代的虛擬現實，仍然停留在個體創作者建模、開發的小作坊模式，大規模虛擬現實內容企業缺乏有效的技術管理和控制規范。

虛擬現實應用系統開發缺乏有效的工程化體系方法，VR應用系統包括數字場景構建、人機交互、運動系統、實時繪制、立體顯示等多方面功能，是一個集成多種功能的綜合應用平臺，功能之間互相依賴又相互矛盾，缺乏面向需求質量保障有效指導，導致系統設計開發效率低下，重復量大。造成建設成本高，虛擬現實工程質量缺乏監管，嚴重制約了其領域和產業化發展。

5.3虛擬現實技術本身急需突破

以真實感著稱的虛擬現實，在現階段缺乏現實世界中最基本的物理屬性、化學屬性和生命特征、社會特征因素，缺乏對三維模型物理屬性建模的考慮，未考慮復雜生命體的生命運動機理，沒有社會關系因素，不符合現實世界物體特性和運動規律。這種虛擬現實系統，無法滿足虛擬現實進一步實際應用的要求。

虛擬現實應用系統的主要理論、技術、方法需要進一步研究，從模型和場景的繪制、虛擬交互手段、海量模型的參數化表示與檢索、海量模型的知識表達發現與挖掘、大規模場景的快速構建方法等一系列問題急待突破解決。虛擬現實集成和融合的關聯技術，目前也僅僅是滿足基本需要，頭盔顯示器帶來嚴重的眩暈不適感、交互方式還遠遠未達到自然方式、人的沉浸感也受到環境制約嚴重，需要進一步發展。

5.4虛擬現實技術應用缺乏針對性

現有的虛擬現實應用系統缺乏面向普通用戶的殺手級應用。即使是企業及應用，也因為缺少需求驅動的有效服務平臺，主要面向具備相關專業技術領域的人員，使用門檻高，普通產業界用戶尚不能直接方便的應用。虛擬現實如何與行業進一步結合，成為與CAD、CAGD一樣產業界不可或缺的工具，為用戶提供快速方便的使用途徑，已成為制約虛擬現實技術落地的重要問題。

6 結語

虛擬現實發展到現在，已取得一系列技術、應用的突破，產業界已看到大規模應用的曙光。我國虛擬現實產業應用與世界同行幾乎同步啟動，雖然在開發引擎、平臺設備、應用模式，都還有很大差距，但隨著政府和產業界的共同重視，必將迎來中國虛擬現實產業界的春天，成為另一項引領世界潮流風向的新產業。