虛擬現實技術應用模式研究

溫曉君

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）融合了多媒體技術、傳感器技術、新型顯示技術、互聯網和人工智能等多領域技術，是新一代信息技術的集大成者。虛擬現實通過構建或向真實世界疊加三維虛擬環境，向使用者提供逼真的感知體驗和較為自然的交互服務，極大地拓展了人們的認知疆域，是人類認識世界和改造世界方式的一次顛覆式變革。作為未來眾多行業創新應用的基礎平臺，虛擬現實已逐漸滲透到軍事、工業、文化、民生等各個領域，對各行業產品的形態、功能，服務的內容、模式等產生深遠影響。2017年我國虛擬現實產業市場規模同比增長164%，市場規模總額高達160億元。未來虛擬現實將撬動上萬億美元產值，成為經濟新舊動能轉換和產業結構轉型升級的重要動力之一。

一、虛擬現實的內涵及意義

（一）虛擬現實是對客觀世界的易知、易用性改造

虛擬現實簡化了人類對客觀世界的認知過程，從而解放了人類的想象力和創新力。具體體現在：一是抽象事物的具象化，如一維、二維和多維事物的三維投影，以及信息數據的可視化建模等；二是觀察視角的自主化，使得人類首次突破空間物理尺寸、時間維度和觀察視角的局限，開展增強式觀察、全景式觀察、自然動態觀察等，并重塑世界觀；三是交互方式的自然化，摒棄了傳統的鍵盤、鼠標、觸控等輸入輸出方式轉而手眼協調的自然方式人機交互。

（二）虛擬現實是人類主觀能動性的延伸

與人工智能直接改造機器使其完成人腦任務不同，虛擬現實技術的直接作用對象依然是“人”而非“物”。它以人的認知體驗為基本評判依據，通過加之于“人”的影響，產生對“物”的間接改造。因此，從生產的角度來說，虛擬現實并沒有改變生產工具本身，而是提高了人類使用生產工具的能力和效率。

（三）虛擬現實拓展了現實世界的維度和廣度

從虛擬世界和真實世界的融合程度劃分，虛擬現實技術可分為狹義的虛擬現實（VR）、增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）以及混合現實（Mixed Reality，簡稱MR）。虛擬現實帶來的絕不僅僅是顯示方式、視覺體驗的進步，或是增加一種娛樂的內容和方式，它更多地是通過與互聯網、物聯網的結合，打破時空局限，拓展形成與真實物理世界并行的人類“第二世界”。虛擬世界、真實世界、人（包括多人）在其中互動交互、相互作用，并具備時間維度的成長性，從而實現真實世界與虛擬世界的辯證統一。

（四）虛擬現實重塑經濟、社會、文化發展形態

虛擬現實打破了由時間和空間的稀缺性所形成的商業價值鏈，推動了新的商業體系形成。作為未來互聯網的重要入口，企業可以借助虛擬現實手段，為用戶提供產品展示、個性化設計定制，甚至對產品進行遠程故障排除，在提升售后服務質量的同時，大大節約了售后服務成本。此外，虛擬現實還將改變醫療、教育等民生領域的經濟形態，有效緩解了社會公共資源不均衡問題。虛擬現實極具表現力和沖擊力的體驗感受，也使其成為文化價值輸出的大國利器，對擴大本國文化的全球影響力意義重大。

（五）虛擬現實已成為信息技術、信息產業發展的風向標

從技術的角度看，虛擬現實作為多學科、多技術高度融合的系統性科學，其自身形成了感知、建模、呈現、交互四大類技術集群，并與信息通信設備、軟件、互聯網、人工智能等領域的技術交叉互補、互為牽引，已成為信息技術創新和應用突破的風向標。從產業的角度看，虛擬現實產業在核心技術創新、軟硬件產品研發、內容生產、生態體系構建等方面提出了更新、更高的要求，代表了系統化、體系化創新的發展理念，必將成為整個信息產業未來穩增長、調結構、促轉型的重要著力點。

二、重點行業領域虛擬現實技術應用模式分析

目前，全球虛擬現實在B端行業應用市場已漸成燎原之勢，前期應用領域主要包括軍事、制造、教育、醫療、文化藝術、旅游等。行業應用的快速滲透和效益拉動，將為虛擬現實產業的真正爆發提供不竭動力。

（一）軍事：有效提高戰場生還率

虛擬現實在武器系統的設計和性能評價、操作訓練、大規模軍事演習及戰役指揮等方面發揮了重要作用并產生了巨大的經濟效益，同時有效地降低了意外傷亡事故。據統計，未參加過實戰的飛行員在首次執行任務時生還率只有60%，而經模擬對抗訓練后，生還率可提高到90%以上。美軍利用“虛擬艦艇作戰指揮中心”僅需5個月就能培訓出合格軍官。未來，軍事領域仍將圍繞提高這三類虛擬系統能力展開，進一步開發包括戰場環境數據融合與輸出建模（包括地形繪制、天氣描述、運動和傳感、武器系統與效應、自主兵力部署等）、分布式多維武器系統交互等應用場景。

（二）制造：打破二維平面思維桎梏

虛擬現實技術在制造業的設計研發、裝配、檢修、培訓等環節已經實現初步應用。

在設計研發環節，虛擬現實技術可以展現產品的立體面貌，使研發人員能夠全方位設計產品的外形、結構、模具及零部件配置使用方案，特別是在飛機、汽車等大型、精密裝備原型樣品的研制過程中，有效提升設計效率。福特公司自2000年以來就開始將虛擬現實應用于汽車設計過程，目前已將虛擬現實置于汽車開發的核心位置；法國達索公司開發了虛擬現實通用設計平臺，波音公司采用該平臺設計了波音777和787型飛機的三百多萬個零部件，使得設計錯誤修改量減少了90%、研發周期縮短了50%、成本降低了60%。

在裝配環節，虛擬現實技術主要應用于精密加工和大型設備的裝配，通過高精度設備、精密測量、精密伺服系統與虛擬現實技術的協同，實現工件、加工環境、加工系統之間的精準配合，將系統誤差和隨機誤差降到極低的水平。操作人員在產品原型實際加工之前就可以全方位地檢查零部件之間的裝配間隙和干涉，也可通過程序自動檢查裝配狀態，可以大大提高實際裝配成功率并降低零件制作返工率。中國一拖集團采用我國本土企業曼恒數字研發的“數字化虛擬現實顯示系統”打造出虛擬裝配車間，可實現360度內部全景漫游，既能多角度觀察每個裝配工位，又能精準跟蹤裝配工件的生產工藝流程，為我國大型農業裝備制造行業發展注入了技術創新的活力。

在設備維護檢修環節，虛擬現實技術應用于復雜系統的檢修工作中，能夠實現從出廠前到銷售后的全流程檢測，提高服務效率、拓展服務內容、提升服務質量，將制造業服務化推向新的階段。美國福特公司聯合克萊斯勒公司與IBM合作開發了應用于汽車制造的虛擬現實環境，在汽車出廠前可以檢驗出其存在的設計缺陷并輔助修正，在汽車出廠后，還可以通過遠程數據傳輸構建虛擬可視化檢修環境，實現遠程的預判性和實時性的檢測維修服務。

在培訓環節，通過利用虛擬現實技術建立虛擬培訓基地，能夠立體展現制造場景，幫助學員通過全方位的感知體驗，獲取高仿真的、可重復的、低風險的學習體驗，有利于制造業從業人員提前熟悉制造場景、提升應用技能。當前，已經有許多國內外企業運用虛擬現實技術開展培訓工作。英國皇家裝甲公司采用虛擬現實技術，對14.5噸的新型車輛進行車輛訓練模擬，實現了對專用車型駕駛員的操作培訓。

未來，虛擬現實尤其是增強現實技術應用的逐漸成熟，實現大型物理系統與信息交互系統的實時感知和動態控制，打通從設計到制造再到服務的鏈條，為智能制造的發展提供強有力的支撐。

（三）教育：革新知識獲取的渠道和交互方式

虛擬現實技術在教育領域的應用主要包括科學研究、虛擬學習環境、人體模型仿真等。虛擬現實通過提供生動逼真、沉浸性和交互性的體驗，有助于營造“自主學習”的環境，實現由傳統的“以教促學”的學習方式向學習者自主感知并與環境信息交互汲取知識、技能的新型學習方式轉變。未來，虛擬教育、虛擬課堂等應用將更加普及，虛擬現實技術將會更廣泛地應用于學習情景的創設，大幅提升學習內容的形象性和趣味性。

（四）醫療：術前規劃精準施治

虛擬現實技術在醫療健康領域的應用主要包括學習培訓、手術模擬、精神康復質量等方面。通過提供具有真實感的環境和實時的觸覺反饋，虛擬現實技術可以幫助醫生提高手術的熟練度和成功率，虛擬出有效的康復訓練計劃幫助病人實現術后康復，幫助培訓者快速地掌握醫學要領。未來，虛擬現實在人體病理模型建模、藥物研制開發等方面還將大有可為。

（五）文化藝術：提升文藝鑒賞、創作的想象空間

虛擬現實在文化藝術領域的應用主要包括通過數字手段進行文物古跡復原、文物和藝術品展示，提供虛擬場景進行雕塑、立體繪畫等藝術創作，以及作為一種新型工具來進行建筑設計、汽車設計和室內設計。作為傳輸顯示信息的媒體和新型設計工具，虛擬現實可以將藝術動態化，將設計者構思變成看得見的虛擬物體和環境，將不復存在的文物進行復原展示，并大幅提高表現能力，為文化藝術發展帶來無限想象空間。

（六）旅游：基于虛擬現實游戲架構下的國際化產業

虛擬旅游是在現實旅游景觀基礎上充分利用虛擬現實技術，通過模擬或還原現實中的旅游景區構建虛擬旅游環境，向旅游者提供虛擬體驗的旅游形式。虛擬旅游可細致逼真、生動地再現旅游景點的風光風貌，帶來虛擬導游、地圖導航、酒店預訂、社區、虛擬古跡等方面切實可觀的效益。愛爾蘭、菲律賓等一些國家的旅游部門和眾多著名的旅游公司，如STA Travel、Starwood、Hyatt等均在Second Life、OpenSim、Project Wonderland等虛擬現實游戲中開發了虛擬旅游市場，吸引游客將其作為旅游目的地。截至2015年底，全球旅游網上交易共達130億美元，而且其增長速度甚至高于IT行業。

三、虛擬現實行業應用模式總結

由上述領域應用分析得出，虛擬現實在行業端應用的共性結合點可歸納為三個方面：一是規劃決策，二是設計評價，三是訓練體驗。虛擬現實的行業應用一定從高端裝備制造、原型產品設計、流程仿真、高端虛擬平臺服務等高附加值行業或價值鏈的高端環節興起，新技術系統應用增加的成本須與所獲得的效率之間達成權衡。

同時，虛擬現實產業應用發展的重點在于構建跨領域融合開放的產業生態體系，促進資源共享和協同創新。作為典型的跨界融合領域，虛擬現實基礎層面與物聯網、工業互聯網、云計算、大數據等緊密聯系，產品層面與智能手機、可穿戴設備、智能家居、智能汽車等智能設備息息相關，應用層面與智能制造、智慧醫療、智慧教育、智慧交通等領域關聯密切，任何單一的企業均無法涵蓋虛擬現實從技術、產品到應用的全產業鏈。上述分行業應用的成功案例中，開放生態體系的搭建包括三個層次：一是底層基礎資源共享，包括高校、科研院所、企業間核心技術和核心軟硬件資源的合作；二是產業鏈的深度合作，包括行業事實標準體系的建立，產業鏈環節的互動和開放式協同創新等；三是建設經濟上可持續、可維持的應用系統，通過智能終端融合應用、傳統產業融合應用、互聯網平臺的融合應用來控制成本、提高盈利。

四、促進虛擬現實行業應用的措施建議

從全球看，虛擬現實在基礎技術方面仍存在一些共性難點和問題，全球企業都在尋找更可行的新技術和新方案，虛擬現實的技術體系和商業模式處于不斷發展演進中。作為一個新興領域，國內外虛擬現實產業目前發展基本同步，國外企業加快發展的同時，國內企業也在積極布局跟進。這就為我國電子信息行業提供了同步參與國際創新、同臺競爭、跨越式趕超的機遇，而行業應用的深入開展，既是中國特色“互聯網+”的細化創新，同時也為《中國制造2025》戰略實施提供了強有力的保障。為此，提出以下建議。

（一）強化頂層設計，面向行業需求規劃應用路徑

定義和構建若干典型應用場景，明確應用需求，分步、有序推進虛擬現實技術在各行業領域的融合應用。推動虛擬現實在設計研發、檢測維護、操作培訓、營銷展示等環節的應用，提升輔助設計能力和制造服務化水平。將虛擬現實應用于協同制造、遠程協作等方面，建立生產過程數據采集和分析系統，實現生產進度、現場操作、質量檢驗、設備狀態、物料傳送等生產現場數據的可視化管理，提高制造執行、過程控制的精確化程度。推進虛擬現實在產品全生命周期各環節和企業管理各方面的應用，實現設計、工藝、制造、管理、物流等環節的集成優化，推進企業數字化設計、裝備智能化升級、工藝流程優化、精益生產、可視化管理、質量控制與追溯、智能物流等方面的快速提升。

（二）加強重點攻關，盡快突破行業應用技術瓶頸

組織產、學、研、用各機構多方面力量解決關鍵共性技術問題，鼓勵開發具有更好使用體驗的創新型產品。突破工業互聯網信息三維空間的注冊定位、建模、搜索、顯示與交互等核心技術。提升虛擬現實主控芯片、微顯示器、高端傳感器供應能力。加快虛擬設計、虛擬裝配制造、虛擬檢測維修、虛擬培訓等軟件及工具包的開發及產業化。構筑大數據和虛擬現實相結合的智能服務云平臺，提升產業自主創新能力和融合創新能力。

（三）制定標準規范，開展行業應用聯合測試驗證

推動建立虛擬現實技術、產品和系統評價指標體系，開發相應的評價工具，保障虛擬現實產品性能和質量。構建基于虛擬現實技術的信息物理系統參考模型和綜合技術標準體系。推動工業級虛擬現實軟硬件標準，以及工業互聯網設備、產品之間標識解析、數據交換、安全通信等標準的制定。建設虛擬現實應用測試驗證平臺和綜合驗證試驗床，開展兼容適配、互聯互通和互操作等測試驗證。

（四）推進試點示范，以點帶面擴大行業應用范圍和影響力

推廣宣傳典型示范案例，提高相關企業、產品和品牌影響力，進一步推動其市場化應用。面向汽車、鋼鐵、高端裝備制造等重點行業，設立若干基于虛擬現實的智能制造應用示范區，打造智能制造單元、智能生產線、智能車間、智能工廠，通過應用驗證反饋完善系統功能。培育一批系統解決方案供應商，組織開展行業系統解決方案應用試點，為中小企業提供標準化、專業化的系統解決方案。

（作者系中國電子信息產業發展研究院電子所副所長）