黃憬彤

摘要

近年來，隨著智能技術以及消費級GPU的出現，虛擬現實技術發展迅速，已經在汽車、電子、醫療、煙草等領域有了廣泛應用。對于普通民眾，對虛擬現實技術的了解可能僅限于概念或表層含義，因此本文簡要分析了虛擬現實技術的發展歷程和關鍵技術，著重論述了該技術在工業領域、教育領域、汽車輔助駕駛領域中的應用，期望能夠讓讀者對虛擬現實技術有一個直觀、具體的認識，從而推動該技術的發展和應用。

【關鍵詞】虛擬現實 發展 虛擬現實應用

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是一種利用計算機產生多種輸出信號來模仿真實的三維現實的技術，利用了計算機圖形學、多媒體技術、即時定位與地圖構建技術以及屏顯技術等，使得用戶可以與虛擬環境中的對象進行交互，從而產生身臨其境的感受。

VR技術早在1960年就開始萌芽，1980至1990年代，NASA推出了實驗性的VR初級設備，主要用于軍事領域以及航空領域。2014年以來，由于相關電子芯片的價格下降，消費級GPU使得圖形渲染能力的增強，VR技術逐漸被應用到了民用領域。作為一種先進的信號傳遞方式，VR具有沉浸感，交互性以及想象力的特征，可以讓用戶在一個模擬出來的環境中得到接近真實的環境反饋，被認為是下一代人機交互的關鍵技術。

1 虛擬現實技術的關鍵技術及產品構成

VR技術的關鍵主要包括VR渲染技術，VR屏顯技術以及VR定位技術。在GPU的出現后，VR渲染的算力得到了極大的提升，但是仍然存在著價格較高等問題。當前該方面的研究集中在降低對硬件資源的消耗上，研究人員提出針對不同區域進行具有差別的渲染方法，相關代表技術為多重分辨率著色渲染技術以及焦點渲染技術。VR屏顯技術目前還有較大的提升空間，目前主流的顯示屏幕主要有LCD顯示屏以及OLED顯示屏，其中LCD顯示屏有著較為嚴重的余暉現象，OLED顯示屏中每個像素間存在分割網絡的問題。VR定位技術主要可分為激光SLAM以及視覺SLAM，其中激光SLAM具有較為完善的技術，但是設備成本較高，應用場合不夠廣泛。當前發展較快的是視覺SLAM的方法，根據攝像設備的不同，主要方法包括單目攝像頭，雙目攝像頭，深度攝像頭等。

VR產品的組成包括計算核心，交互終端以及輔助設備這3個部分。VR產品的計算核心用來實現VR應用的圖形渲染、數據的處理以及儲存、邏輯運算等。計算核心的硬件通常包括CPU和GPU，軟件主要是實現渲染算法的程序和數據庫程序。交互終端實現和用戶的交互，其輸出圖形的設備通常是眼鏡模式或者是頭盔模式，包括顯示屏幕，光學鏡片以及陀螺儀等。輔助設備實現對用戶的定位，同時通常會為其增加動作捕捉的設備，從而實現對用戶輸入邏輯的判斷。

2 VR技術在建筑領域的應用

在建筑領域中，虛擬現實在建筑設計環節具有獨特的優勢。在建筑設計中，通過虛擬現實技術，可以將設計人員的構思實時形象的展示出來。與傳統的展示方法的區別是，采用虛擬現實技術可以提供更具有真實感的三維圖形，還可以提供聲音，氣味，觸覺等多種信息，方便設計人員工作。此外，通過全方位的展現設計成果，能夠使得評審專家以及客戶對設計有更真實的感受，從而提出更具體的，更有針對性的意見。因此，采用了虛擬現實技術的建筑設計工作可以更容易得到高質量的成果，減少設計者的工作強度，提升工作效率，減少設計周期，提升客戶滿意度。

在建筑施工中，虛擬現實也有重要的作用。現代建筑是在三維空間中進行的復雜操作，傳統的基于2D的CAD對此類復雜空間結構的表現力比較差。而采用虛擬現實技術后，可以在在3維空間中對復雜的結構進行動態的，分層的表現，方便施工人員理解施工計劃。如果遇到了某一個工程具有多種施工方案，可以采用虛擬現實技術，結合計算機輔助設計可以對施工方案建模，從而進行評估，通過這種方式，能夠對一下不確定的因素進行事先的估計，對其影響可以進行預判，從而為整個項目找到最優的方案，避免工程失敗的經濟損失。

在建筑裝修領域中，虛擬現實可以發揮非常大的作用，相比通常的利用多種平面圖展示設計效果，利用虛擬現實技術的展示方式更全面和主動。通過將房間進行建模，可以方便設計人員在裝修空間內進行布置，同時客戶可以實時看到設計效果，快速的對設計給予反饋。這種工作方式可以加快設計，加強設計人員與用戶的溝通。此外，通過對組件建模，可以得到更精準的費用估計，使得設計時更好的平衡設計效果與費用。總之，采用虛擬現實之后，設計人員與客戶之間的關系從之前的靜態的關系變為了可以實時反饋的動態的關系。

3 VR技術在教育領域的應用

在教育領域中，長期以來的教學是通過文字和聲音信號進行的。在演示文稿等廣泛使用之后，知識的傳遞遷移到了圖形和視頻信號。隨著虛擬現實技術的發展，教學可以通過視覺，聽覺，觸覺等多種通道進行信號的傳遞。通過這種方式，可以增強老師授課的表現力，避免因為概念復雜導致的學生難以理解的情況，同時多種感官同時進行信息接受可以促使學生集中精神，使得記憶更持久。在虛擬現實環境中，學生門可以在沉浸的環境下進行學習，能夠在老師設置的逼真的知識情景中更好理解知識。

利用虛擬現實技術可以對傳統的實驗方式進行補充，針對危險性較高的實驗，需要復雜實驗裝置的實驗，花費經費或者時間較長的實驗等，傳統的實驗方式難以解決學生對相關實驗操作的問題，而模擬實驗盡管可以模擬部分實驗步驟和實驗現象，但是缺乏沉浸感，實驗效果較差。虛擬現實技術為此提供了較好的解決方案，在虛擬現實的環境中，學生們可以在安全的情況下模擬危險的實驗操作，每一個操作所得到的反饋都和真實的實驗環境相同。利用虛擬現實環境，學生們可以多次重復在真實實驗環境中無法進行的操作，快速完成真實環境中需要長時間才能成功的實驗。通過虛擬現實環境，學生們可以將精力集中與課程核心的概念以及操作中，避免將精力分散在實驗準備等瑣碎的事情中。

總之，虛擬現實技術有利于學生更好的吸收知識，提升學生們對知識的興趣，訓練學生們的想象力。通過在虛擬現實環境中添加多種虛擬的激勵機制，學生們可以更好的集中精神，更好的與老師交流，完成課程目標。虛擬現實與教學的結合同時不受限于時間與地點，通過將課堂布置到網絡上，可以使得全世界的學生享受到成本低廉的生動形象的課程。

4 無人駕駛地鐵中的應用

當前地鐵發展的主流趨勢是無人化，針對無人地鐵，其設計，運營，維護等多種方面都依賴于虛擬現實技術。通過虛擬現實技術，可以突破物理資源環境的限制，避免繁瑣的設計步驟，降低工程的時間成本。

在設計無人駕駛地鐵的過程中，如果采用虛擬現實技術對硬件設施進行建模，可以使得設計人員對列車應用的場景有一個更全面的認識，通過將場景與地鐵設計進行融合，設計人員可以動態的了解自己的設計在虛擬環境中的運行情況，觀察到車輛在行駛過程中的各個部位以及各個重點結構，從而有針對性的研究運行過程中受力較大，變形較大的危險截面的動力學性能。利用列車虛擬設計，可以樣機驗證前發現盡可能多的設計缺陷，從而避免傳統設計步驟中長時間的代價昂貴的物理樣機實驗。

無人駕駛列車作為一個復雜的系統，其裝配過程非常復雜，傳統的裝配方式需要裝配人員花費較多的時間進行學習和演練，而實驗平臺的搭建需要較大的前期投資，且物理平臺訓練速度較慢。通過虛擬現實技術，使得工作人員在一個接近真實的環境中進行裝配，從而檢查各個零部件之間的配合程度，還可以通過虛擬現實技術對員工進行培訓，實時評價裝配效果，提高裝配人員的能力，避免傳統的現場裝配訓練所占用的大量硬件資源。

無人駕駛列車的測試在傳統的工程實踐中需要消耗大量的時間，但是測試效果并不明顯，難以檢查出所有的風險。如果采用虛擬現實技術進行虛擬驗證，就可以壓縮驗證所需要的時間，利用多次驗證來覆蓋更多的測試條件，發現更多的問題。此外，引入虛擬現實技術后，可以對測試中的列車的運行狀態，各個部件實時狀況進行觀察，找出容易出現問題的薄弱環節，降低了真實運行的風險，也可以在實際運行時有針對性的提出針對易發生問題的預案，方便工作人員在遇到突發狀況后能夠快速進行處理。

維護環節是無人列車整個生命周期中重要的一環，他可以保證列車平穩安全的運行。大城市中無人駕駛地鐵的任務非常繁重，其保養時間較短，這就要求進行保養工作的人員具有大量的經驗，有熟練的操作技能。如果引入虛擬現實技術，一方面，維修人員可以在虛擬環境中進行訓練，另一方面，一旦列車發生故障，維修人員通過虛擬現實技術可以快速判斷故障位置。

5 虛擬現實在石油領域的應用

石油領域作為一種資金，技術，勞動力密集型的產業，引入虛擬現實技術后，可以充分節省資金，加快前期準備工作，節省時間。通過對地層資料進行模擬與展示，工程人員不再需要面對枯燥的單維數據，只需戴上頭盔和數據手套，面對地下構造或圈閉的三維透視圖像，用數據手套操縱虛擬對象，選擇不同的方向和路線進入到構造或圈閉內部做深入的“游覽”。在鉆井軌跡設計及油井規劃中引入虛擬現實系統，可以實時進行鉆井勘探分析、鉆井設計、鉆井軌跡跟蹤，鉆井人員可以簡單、直觀地瀏覽和查詢，快速識別鉆井問題，及時做出更好的決策。在石油勘探及開采過程中，如果引入虛擬現實技術將石油勘測的探測數據，石油開采的操作及工藝流程以三維可視化的圖像形式表現出來，更加直觀和立體的展示信息，為分析和決策提供便捷。此外，還可以在石油化工工藝模擬中使用虛擬現實技術，將石油煉制等工藝進行三維虛擬可視化展示，如石油油水分離技術三維互動虛擬演示等多種化工工藝流程虛擬演示，有利于優化石油加工流程。虛擬現實技術可以根據客戶需求，制定專業的石油裝備操作培訓系統，完全真實的模擬石油裝備的操作流程和使用方法，更好的培訓技術工人。還可以針對石油石化行業在運行操作過程中存在的高危高難度的，對員工的技術要求和熟練程度有很高要求的工程為員工提供虛擬培訓環境，適應各類平臺作業。

參考文獻

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