芻議VR虛擬現實技術

陳超良

摘 要

虛擬現實技術在二十世紀末、二十一世紀初方才興起一項新興的綜合實用技術。其將計算機圖形學、傳感測量技術、仿真及人工智能、多媒體技術以及數字圖像處理技術等多項技術融為一體。該項技術可以創建出一個交互式、虛擬的、逼真的三維立體空間環境，同時可以對于人的操作以及活動作出相對準確、及時的反應，使人們有種出于現實中的感受。本文就虛擬現實技術的起源發展、現實應用以及發展現狀進行分析，簡要的對未來發展的方向進行介紹。

【關鍵詞】虛擬現實技術 應用 現狀 發展趨勢

隨著計算機技術的高速發展，近年來虛擬現實技術也得到了快速的成長。虛擬現實技術是一個可以進行虛擬世界創建與體驗的計算機系統。虛擬現實技術是對計算機技術加以利用，從而形成一個逼真的、包含有視覺、聽覺、觸覺等多個感官的虛擬環境，使用者利用各式交互設備與虛擬環境內的實體進行相互作用，從而產生一種身臨其境的信息交流，是當前時期較為先進的實現數字化人機交互感受的技術。

1 虛擬現實技術的簡介

1.1 虛擬現實技術原理

虛擬現實（Virtual Reality），簡稱為VR，是使用計算機模擬出一個三維的虛擬空間，為使用者提供包括視覺、觸覺、聽覺等感官感受進行實際模擬，同時可以快速、不受限制地對事物進行觀察。使用者在進行移動位置時，計算機將會及時展開復雜運算，精確地將虛擬三維世界的視頻傳輸給使用者，從而產生親身臨場的感覺。是一種經過計算機技術加以輔助而產生的高技術性的模擬系統。虛擬現實技術集成了計算機仿真、人工智能、計算機圖形、傳感、顯示以及網絡處理等技術的發展成果。

1.2 虛擬現實技術的發展史

虛擬現實技術的發展大致上可分為四個發展時期。1963年以前式虛擬現實技術發展的萌芽期，1963年至1972年的十年間將帶有聲音的形動態進行模擬過程中便包含有虛擬現實思想。1973年至1989年，該時期虛擬現實的概念以及理論開始產生。1990年至今虛擬現實技術得到不斷的發展與完善并應用于實際中。2012年Google首次發布了Google Glass，將虛擬現實技術、頭戴式顯示器、增強現實展現到普通民眾的視野中，這對原有的圖像顯示設備進行完全的顛覆。2013年，頭戴式顯示器得到了廣泛的關注，隨后世界眾多公司均加入到虛擬現實頭盔的競爭中。

2 虛擬現實技術的應用范圍

虛擬現實技術主要在現實中應用于如下幾方面。

2.1 醫學

虛擬現實技術應用于醫學方面有著極其重要的實際意義。創建虛擬人體模型的環境中，可以利用HMD、感覺手套、跟蹤球等更加方便的對人體內部的器官構造進行了解，在進行外科手術時，醫生可以通過虛擬技術在顯示器上進行模擬手術，尋求最佳的手術方案同時可以提升醫生的操作熟練度。

2.2 娛樂、教育

由于虛擬現實技術擁有豐富的感知力以及3D現實環境致使其成為了理想的視頻、游戲工具。因為娛樂上在虛擬現實技術上的真實性要求較低，因此近年來該項技術在娛樂、游戲方面發展較快。此外，在家庭娛樂上也取得可較為良好的發展前景。

2.3 軍事航天

模擬和練習始終是軍事航天業里的一個重點的內容，這對虛擬現實技術的應有提供了極為廣闊的前景。此外，虛擬現實技術可以對零重力進行真是的模擬，來對現有對宇航員的訓練方式進行替代。

此外虛擬現實技術還在房地產開發、動作捕捉、數字地球、室內設計、工業仿真、文物保護、應急演練等方面均有所應用。

3 虛擬現實技術發展現狀

虛擬現實技術是由美國人提出的概念，后來由美國宇航局對其的利用，從而展開了對成本較低的虛擬現實系統的研制，從而對虛擬現實技術的硬件發展有著一定的推動作用。現在虛擬現實技術雖已獲得了較大的發展，但是仍處于研究的初級階段。目前虛擬現實技術主要在感知、后臺軟件、硬件以及用戶界面四個方面進行研究。就當前時期的技術來看，場館虛擬漫游存在的最大難點是建模與實施繪制。通常情況下，會選擇在繪制速度與模型精細度上選取一個平衡點，這樣不僅可以保證繪制質量又不會為用戶造成不適感。目前世界上有著諸多的虛擬現實應用的開發商，已經開發了一些虛擬現實軟件的平臺，比如Superscape公司的VRT、Deneb Robotics公司的ENVISION等。這類平臺面對不同的目的，在很大程度上提升了虛擬現實應用系統的研制效果，但是在開發中依然有著很多的問題，尤其是對自主知識產權缺乏的問題，對其中的核心了解不充分，一旦要對新功能進行開發補充時，都會造成無法運行的狀況。

2015年三星公司發布了一個新的配件Gear VR，吸引了廣大用戶的關注，Gear VR是一款利用手機作為屏幕的移動虛擬現實的配件，可以實現虛擬現實得應用體驗。三星公司發布的這款虛擬現實的設備對于同行業的其他品牌有著很大的競爭優勢，由于其是第一家將其應用于手機上。此外將虛擬現實技術應用于航拍中，再結合三維制作技術，實現現實拍攝與三維制作的交互，這在游戲上應用較為廣泛。目前有大量的游戲制作商將虛擬現實技術應用于游戲開發，例如“星球大戰”、“鷹擊長空”、“最終幻想14”等，均實現了將現實內容與三維制作相結合，制作出的游戲效果使玩家有者身臨其境的游戲感受，得到了廣大玩家的喜愛。

4 虛擬現實技術發展趨勢

對虛擬現實技術的發展歷程來看，虛擬現實技術在今后的發展過程中依然會遵循“低成本、高性能”的原則。本文將從軟硬件上展開探討，主要的發展方向如下。

4.1 動態環境建立技術

虛擬環境的創建是虛擬現實技術最為核心的內容，動態環境建模主要的目的在于獲得現實環境數據的基礎上，以此來創建相應的虛擬環境的模型。

4.2 實時三維圖像生成與顯示

三維圖像生成技術已經較為成熟，目前關鍵是實時生成如何實現，目前就如何不降低圖像質量與復雜程度的基礎上對頻率的刷新是今后發展的重點研究內容。另外，虛擬現實技術的發展依賴于傳感器與立體顯示器的發展，當前時期的虛擬設備上無法滿足系統的需求，需要對三維圖像的生成與顯示技術進行不斷的開發。

4.3 研制新型交互設備

虛擬現實要能夠完成人可以自由的和虛擬世界內的對象實現交互，有一種身臨其境的感受，使用的主要輸入、輸出設備有數據手套、頭盔顯示器、三維聲音產生器、三維位置傳感器以及數據衣服等。所以，價格低廉、新型、耐用性好的數據衣服和手套將成為今后的研究重點。

4.4 智能語音虛擬建模

虛擬現實建模過程是較為復雜的，需要有較多的時間和精力。假設將智能、語音識別等技術與虛擬現實技術相結合的話，可以很好的對這一問題加以解決。可以將模型的方法、屬性、特點的描述利用語音識別技術來對建模數據加以轉化，之后再使用計算機的圖像處理技術以及人工智能來進行設計、評價，將模型用對象進行表示，同時邏輯地使各個模型進行動、靜態的連接，最終創建出系統模型。在模型形成后對其進行評價，給出一定的評價結果，同時由人工使用語言對其編輯和確認。

4.5 應用大型分布式網絡虛擬現實

分布式網絡虛擬現實是將零散的虛擬現實系統和仿真器利用網絡將其連接在一起，采取協調一致的標準、結構、數據庫以及協議，創建出一個在空間、時間相互聯系的虛擬合成系統，使用者可以進行自由的交互。當前，分布式虛擬現實交互已經成為國際上的研究熱門。網絡分布式顯示虛擬在航天上有著極為重要的應用價值，可以減少研制經費以及設備費，同時可以降低人員的出差費以及出差造成的不適。

5 結語

綜上所述，虛擬現實技術有著廣闊發展前景的高新技術，但是仍有著諸多的需要解決的問題。虛擬現實技術已經在現實生活中的許多方面得到應用，并發揮出了極為重要的作用。作為二十一世紀大力發展的技術，在今后的發展中將會取得越來越廣泛的應用，將會對人們的習慣以及理念加以改變，同時深入的應用與我們的日程生活和工作中。

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作者單位

廣州工商學院 廣東省廣州市 510800