虛擬現實技術及其應用探究

李良志

摘 要：近年來，虛擬現實技術發展迅速。國內外科學家的潛心研究使得虛擬現實技術不斷完善，有關研究成果層出不窮。此外，虛擬現實技術已經開始應用于人們生產生活中的各個領域，與原有技術有機結合，為產業的發展注入了新的活力。本文綜述了虛擬現實技術的概念、歷史和技術原理。并就其在游戲、建筑、醫療等領域的應用做了介紹，最后對其發展進行了展望。

關鍵詞：虛擬現實;環境模擬;應用

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）03-0030-02

1 虛擬現實技術的簡介

1.1 虛擬現實技術的概念

虛擬現實技術（Virtual Reality，VR），又稱靈境技術，是20世紀發展起來的一項全新的實用技術。虛擬現實技術囊括計算機、電子信息、仿真技術于一體，其基本實現方式是計算機模擬虛擬環境從而給人以環境沉浸感。隨著社會生產力和科學技術的不斷發展，各行各業對VR技術的需求日益旺盛。VR技術也取得了巨大進步，并逐步成為一個新的科學技術領域[1]。

1.2 虛擬現實技術的發展

虛擬現實技術被認為是當前及將來影響人們生活的重要技術之一。[2]二十世紀三四十年代，一位小說家在他的小說中提出了相關構想。其后就有人以此構想為基礎，研究出了相關技術并申請了專利。在此之后，虛擬現實技術不斷發展。頭部顯示器HMD及頭部位置跟蹤系統相繼問世，并且有關的虛擬現實系統也很快被研發出來。至此，人們已經可以利用相關穿戴設備實現初步的虛擬體驗。

時至今日，虛擬現實技術已經被不斷完善并開始應用于各個領域。在諸如游戲軍事醫療等領域中，虛擬現實技術都有著巨大的應用價值。隨著時代的進步，科技的發展，VR穿戴設備的質量也在不斷提高，價格在逐漸降低，便于其走向尋常大眾的生活。雖然目前虛擬現實技術在普通人的生活中還很少見，但是多數人已經可以通過周邊的虛擬現實體驗館對其有個初步了解。其發展歷程如圖1所示。

2 虛擬現實技術原理簡介

為了實現人的虛擬體驗，虛擬現實技術需要完成信息的采集，三維環境的模擬，以及虛擬環境的呈現等任務。

2.1 信息的采集

信息的采集主要是指利用傳感器技術將人體的行為信息轉換為計算機語言輸入計算機的過程.其核心技術為傳感器技術，即利用光，聲，熱等傳感器將采集到的人體行為轉換為相關數據并傳遞給計算機的過程.舉個例子說，如果我們想要采集人的語言信息，如人說“我和你”時，虛擬現實技術就要利用聲傳感器等將捕獲的語言信息“我和你”轉換為一個數據流輸入計算機。總而言之，信息的采集過程主要以傳感器技術為核心實現行為信息到計算機數據的轉換。

2.2 虛擬環境的模擬

當信息采集并傳遞給計算機后，進一步的過程便是利用計算機分析采集到的信息并以此為依據進行虛擬環境的模擬。在這個過程中，采集到信息會被計算機系統接收與理解，然后通過計算機實時建模即進行虛擬環境的模擬，使模擬現實系統真實表達瞬息萬變的現實世界。想要模擬出一個“真實的”虛擬世界，其核心問題是解決好視、聽、力、觸、體、味等方面與現實世界類似的VR內容的有機組合，然后由計算機系統構建并呈現出一個模擬的虛擬世界。本過程的目的是模擬現實世界并進行模擬建模，模型越加貼近現實，效果自然就好，這也是目前虛擬現實技術專家前進的方向。

2.3 虛擬環境的呈現

完成虛擬環境的模擬后，便要想方設法將構建的虛擬世界反饋給人體。這個過程可以簡單理解成信息采集過程的反過程，即讓人體采集計算機信息。換言之，就是將所謂的計算機語言再次轉換成行為信息，使人覺得自己正處在一個“現實”環境中。該過程的實現需要依靠VR的相關硬件，如頭盔顯示器、3D立體眼鏡等設備。當人體接受信息，便可進一步做出反應，再通過上述過程，再次實現人機互動，多次的擁有沉浸感的互動便構成了人在虛擬環境的活動過程。其實，虛擬現實技術的核心是計算機技術及其延伸技術，利用這些技術實現人與虛擬環境之間的交互給人以沉浸感，便實現了虛擬實現技術的初步要求。

3 虛擬現實技術在某些領域的應用情況

由于虛擬現實技術具有交互性和仿真性等特點，其在各個領域都具有廣泛的應用前景，下文僅就其在游戲、醫療、建筑等領域的應用進行介紹。

3.1 游戲領域

虛擬現實技術在游戲領域具有非凡的應用價值，憑借虛擬現實技術所具有的沉浸式體驗與交互性特點，游戲開發商利用其開發出的相關游戲軟件，具有較尋常游戲更加良好的游戲體驗感。由于虛擬現實技術具有3I特征（沉浸、交互、想象），因此可以給廣大游戲愛好者帶來全新的感受[3]。通過穿戴設備，玩家的機體動作可以隨時被計算機捕獲轉換為數據輸入虛擬現實系統，虛擬現實系統隨及做出處理對虛擬現實環境進行修改，再將新的虛擬現實模型傳遞給所有的用戶，用戶通過身上的轉換設備即可客觀感受到虛擬環境的變化，隨后人的肌體在接受了相關信息后又可再次做出回應。例如，玩家在游戲過程中收到了攻擊，其相應的身體部位就會受到刺激，產生對應的疼痛感，當然這并不會造成真正的傷害，但其帶來的主觀感受感卻可以很大程度上滿足玩家的需要。目前的虛擬現實游戲可以基本上實現上述過程，但是還遠遠達不到《頭號玩家》中綠洲的那種程度。不過隨著技術的進步，在不久的將來一切都有可能實現。

3.2 醫療領域

基于虛擬現實技術的仿真性，其在醫療領域的應用價值是不可忽略的。診斷層次上，利用虛擬診斷可以在一定程度上減少誤診的幾率，通過信息采集系統可以將采集到的人體信息儲存在電腦里，并以此為基礎構建起數據庫。將各種人體信息顯示在數字人身上，構成虛擬仿真人體模型，可以使診斷達到直觀化、可使化、精確化的效果，簡單地說，當虛擬現實技術達到一定程度上，醫生可以以一種“上帝”的視角了解病人的情況，輕觸構建的數字人模型，便可獲得相關的詳細信息，便于醫生作出診斷。手術層次上，可以利用虛擬手術系統制定更加合理的手術方案并使手術過程簡易化。當數據人模型建造出來后，我們可以將這個數據人在一定程度上等效為現實世界的病人。醫生可以以數據人的醫學影像評估病人的實際情況，并在細節層面上把握病人的病灶信息，然后擬定手術方案，在手術方案制定后，還可以進一步進行調整與優化。如可以利用計算機構建的虛擬環境中進行預手術，按照預手術的情況，評價原手術方案并進行修改，以此可以使手術方案愈加合理化，從而提高手術的成功率。而在實際的手術過程中，尤其是一些顯微手術。虛擬現實技術可以實現精微手術的宏觀化。即通過虛擬手術系統將手術部位放大，醫生按照放大后的常規手術操作即可，同時，由顯微機械手來實現醫生宏觀操作的細微化，以期達到精準微創的效果，大大降低了手術的操作程度。醫療教學層次，眾所周知，臨床手術是需要進行訓練的，而在現實世界上，手術訓練是難以開展的，但在虛擬世界中，虛擬手術系統可以為醫療從事者提供這樣的機會，在觀看相關手術教學后，醫療人員可以拿虛擬世界中的數字人進行手術操作驗證自己的所得并發現不足，進一步改正操作。通過在數字人身上的反復演講、學習，提高操作熟練度，避免不必要的醫療事故與損傷。

3.3 建筑領域

虛擬現實技術在建筑領域也有著廣闊的應用。設計方案層次上，在擬定建筑設計方案的過程中，工程師需要考慮設計的合理性、成本、美觀等多個方面，利用虛擬現實技術可以幫助工程師制定出更加合理可行的方案。當工程師的設計方案起草完成或猶豫計劃的下一步驟該如何進行時，可以先將設計方案輸入虛擬現實系統中，在虛擬世界上對設計方案執行，這樣可以直觀地呈現出設計結果，工程師可以以此為基礎對設計方案進行修改或進一步決定下一步設計方案。建筑施工層次，在設計方案制定化，建筑施工方不必急于落實方案，可以根據目前的人力、財力、物力，在虛擬空間內進行設計方案的預實施，通過虛擬施工的情況合理規劃實際施工過程人力、物力、財力的分配，從而實現施工過程的優化，爭取以最小的人力、物力、財力的消耗，最短的工期，最高的效率完成計劃的施工。建筑外觀層次，考慮到當今時代人們對建筑的要求不僅局限在功能層面上，還涉及審美領域，對建筑方案施工后的成果有個最起碼的外觀估計是有必要的。而這正是虛擬現實技術在建筑領域適用的又一價值所在。在實現設計方案和施工方案的優化后，可以對最終的方案進行一次虛擬執行來了解施工成果的外觀情況，并以此結果來決定方案是否進一步修改，執行還是摒棄。

4 虛擬現實的發展趨勢及展望

虛擬現實技術近些年發展迅速，在理論研究、技術創新、系統開發和應用推廣方面都取得重要發展，顯示出巨大的發展潛力和廣闊的應用前景。[4]但是虛擬現實技術目前仍存在一些沒有徹底解決的關鍵性技術障礙，相關設備價格也過于昂貴，應用領域不夠廣泛。如何解決好這些問題是當前及未來幾年里科學家們奮斗的方向。相信隨著虛擬現實技術的進一步發展和相關設備價格的逐漸降低，虛擬現實技術必定會走向實用化和平民化。

參考文獻

[1] 趙蔚，段紅.虛擬現實軟件研究[J].計算機技術與發展，2012（02）：229-233.

[2] 卞鋒，江漫清，桑永英.虛擬現實及其應用進展[J].計算機仿真，2006（06）：1-4.

[3] 孟慶玉，張靜遠，宋保維.魚雷作戰效能分析[M].國防工業出版社，2003.

[4] 趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學，2009，39（1）：2.