VR虛擬現實技術發展與應用

涂思危

摘 要：本文剖析了當今熱門的虛擬現實技術自身的發展現狀及其在產業中的應用，對VR核心技術介紹、在醫療與能源仿真領域的應用、未來前景與展望三部分內容進行了論述。VR技術起步較晚，但發展迅速，該技術所創設的虛擬環境為其在多領域的應用創造了可能，其自身也可以與其他熱門領域相結合以實現新型交互方式，給予用戶更加舒適的感官體驗。

關鍵詞：虛擬現實技術;創設空間;發展前景;領域應用

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0051-02

0 引言

隨著如今電子信息和計算機技術的不斷進步，虛擬現實技術也作為一項新興技術得以初步發展。作為一個在眾多領域均有重大研究意義和價值的新模式，虛擬現實技術對于我國的技術創新、未來科技發展等方面有著重要作用。目前，該技術已可被初步應用于許多產業中，但就長遠來看，虛擬現實技術與生活及產業的結合仍具有一定的局限性。因此，為了將該技術的潛在價值充分體現，我們應對該技術的內涵與發展、應用模式有更加充分的了解。本文將對VR虛擬現實技術的發展現狀、具體應用價值及其發展建議進行簡要的概述。

1 虛擬現實技術簡介

1.1 虛擬現實的發展歷史

虛擬現實技術的發展起步于上一世紀，其發展歷程也大致分為三個階段。第一階段，在20世界70年代以前，是VR技術理論思想的探索時期，這一階段虛擬現實思想初步產生，但由于技術的限制，尚不具備將這一技術所系統化應用的條件。1935年，美國小說家Stanley·G·Weinbaum首次在小說中構想出通過眼鏡達到視覺、觸覺、嗅覺等全方面立體模擬體驗現實畫面的虛擬現實構想，這也是目前可追溯的最早的關于虛擬現實的構想。1962年，美國電影攝影師Morton·Heilig通過研究發明“全傳感仿真器”并以此申請了專利，這一發明也含有部分虛擬現實技術的思想理論。第二階段，到了20世紀80年代，VR技術的研發與應用初步開展。這一技術也不再局限于單個實驗設備研究，人們開始將多系列的設備相整合，初次從視、聽、觸等多方面進行對VR環境與設備的構建，這也使得VR的實際應用擁有了必要條件[1]。但這一時期所設計的產品相對笨重、價格昂貴，并沒有獲得市場的關注與青睞。第三階段，從90年代初至今，隨著計算機與網絡技術的進步，VR技術也開始高速發展。這一階段中，VR設備更為便捷實用，仿真度也日益提高，人機交互性能也不斷改善，使得各類VR產品相繼推出。1994年，日本游戲公司Sega針對游戲產業所推出的SegaVR-1在業內引起了不小轟動[2]。2014年，Facebook收購Oculus更是推動了VR的商業化發展。如今VR技術已在多個領域內有著廣泛應用，虛擬現實正在以一個前所未有的速度高速發展。其巨大的發展潛力也得到了各界的重視。預計在若干年以后，虛擬現實的發展將進入成熟期，多數技術難題將得到有效解決，產業鏈逐步完善。

1.2 基本特征

VR技術以計算機技術為載體，作為多種復雜技術的結合，擁有利用計算機為用戶創設虛擬三維空間的能力。多年來，隨著虛擬現實技術的不斷發展，VR技術的存在感、交互性、創造性以及多感知性四大基本特征不斷凸顯。

對于用戶而言，虛擬現實技術所模擬出的空間可以使其如同身臨其境。其根據人類感官的直觀感受和心理特點，在最理想的虛擬情景下，可以使用戶無法辨別出眼前的空間與真實世界的區別，從而擁有更好的虛擬體驗，這一特征即是存在感的含義。

在電腦所創設的環境中，介入者并非被動接受電腦的控制，用戶需要對機器之間存在自然交互以實現對虛擬情境下自身的運動與調整，這一現象表現為交互性。在目前的VR應用中，大多是運用VR手柄、鼠標、自身移動等方式實現交互，這一交互是實時的、同步的，意味著用戶可以對虛擬環境進行迅速調整和應對。

VR的創造性體現在：視覺感知中的世界是人為創造出的，而非真實存在，但所創造出的環境仍然符合所有物理定律[3]，這一特性為人類提供了認識事物的新方法，能夠提供按照人類創造力所想象的世界，也拓寬了人類探知事物的途徑。

多感知性體現在：除去VR設備所提供的視覺感知以外，可以通過多種傳感設備提供包括聽覺、觸覺上的感受，這使得VR系統具備了多感知功能，同時也使得介入者能夠多方面的感受虛擬環境。

1.3 虛擬現實的關鍵技術

虛擬現實系統主要以計算機圖形技術為載體，由于對于所創設的虛擬環境有著四維特征的高要求，其自身的運作相對復雜，是多種技術相結合的結果。

虛擬圖形的生成技術目前已較為成熟，可以根據事物的3D物理幾何特征構建模型。但在虛擬現實系統中，這些模型如何做到實時跟進，仍是一個重點。三維圖形實時生成技術既要求圖形的質量精度達到一個高度，也對圖像的刷新速度有著一定要求。以虛擬游戲對戰為例，想要達到實時跟進，體現戰機轉瞬即逝的效果，就必須對圖像的刷新頻率進行提高。

廣角立體顯示技術則保證了用戶能夠感受到高清晰度、逼真的視覺效果。在當今的虛擬現實系統中，當用戶戴上頭套后，兩只眼睛所看到的圖像是不同的、單獨產生的，這也意味著雙眼在視覺感官效果上的差異可以使畫面呈現出立體感的效果。

語音輸入輸出技術為用戶提供了立體音效效果，其關鍵在于創造更加自然與立體的音效，以提高用戶的聽覺感知。

傳感反饋技術的載體在于人們所佩戴的數據手柄等物品，其可以根據這一技術為用戶提供虛擬環境下的觸覺感受，即通過傳感設備對虛擬環境中的物體進行五感的體驗。

虛擬環境體驗過程中，用戶通過眼罩的方向移動來改變視線，這一過程即應用了視點感應技術。該技術可以通過眼部肌肉的變化、眼罩定位等方式進行視線的移動，使用戶擁有更加便捷的虛擬體驗。

2 虛擬現實的應用

2014年Facebook收購Oculus事件使VR技術第一次進入公眾視野，自此之后，關于VR技術與各種產業相結合的報道不絕于耳。2016年更是被冠以“VR產業元年”。本文將以醫療和能源仿真兩大領域作為示例，展現VR技術在產業中的廣泛應用與巨大價值。

2.1 醫療

醫療作為一項關乎民生的重大領域，其自身發展狀況影響居民健康生活水平。隨著VR技術水平的不斷提高，虛擬現實設備在醫療方面的應用也逐漸變為可能，其無疑對醫療領域的進步與發展帶來一定的積極意義。

VR技術可以在虛擬環境中構造人體模型，介入者可以通過手柄操作移動來對人體結構有更加直觀的了解，產生視覺和觸覺的雙重體驗。同時，在醫療手術中，醫生可以通過VR技術對操作難度與風險有著提前的掌握，有助于降低手術風險。這一技術同樣可以應用于醫療教育與培訓中，創造實體為新任醫生提供試驗樣本，并有助于其在身臨其境的環境中獲得更多的技巧知識與鍛煉機會。

這一技術同樣可以被應用于患者的康復過程中，例如對殘疾人士輔助功能的治療過程中，將VR技術與娛樂性相結合，在康復治療的同時提高患者的治療情緒。

此外，VR技術為多種全新治療方法的研發創造了可能。虛擬現實技術可以運用于例如恐高癥等心理問題的治療方面。在心理醫生的指導下，使患者戴上VR設備，通過其創設的虛擬環境使得患者逐漸對其得到適應并最終消除心理障礙。有數據顯示，在數年前將VR技術應用于治療恐高癥患者的測試中，有近90%的人獲得了顯著成效。

2.2 能源仿真

能源產業種類繁多，技術難度較大。隨著如今人類生活對能源需求的增大，所面臨的能源問題也逐步凸顯，如何能使能源產業在提升效率的同時控制成本的投入，長久以來都是一個很棘手的問題。而虛擬現實技術在創設環境、模擬生產等方面的優勢或許能在這一問題上大顯身手。

目前，我國的能源產業包括煤礦生產、石油開采、電力生產與輸送、水利水電工程等領域，而虛擬現實能源仿真行業的出現在以上領域中均有很大的發展潛力。

虛擬現實所構造的開采環境仿真系統有利于幫助工人熟悉其作業環境，了解作業流程，降低作業風險。同時該技術可以模擬諸如爆炸、水災、火災等極端環境，讓企業人員對于極端環境與危險情景有更加全面的了解，起到降低安全事故的危害的作用。

該技術同時可以利用于促進能源行業的結構調整與產業升級。虛擬環境有助于企業對新技術的開發擁有更便利的試驗環境，幫助產業進行優化設計，也同樣可以作為一種對職工培訓的手段，降低培訓成本，提升生產效率。

舉例來說，這一理念已被成功應用于目前煤礦業生產過程中，部分企業已經應用了礦井綜采虛擬現實系統。該系統通過VR技術將礦井作業的場景逼真展現[4]，可以以此提早發展工作所存隱患，提升工作安全程度，并幫助企業進行教學培訓，減少礦工教學應用成本，使礦工對作業運行狀態有全方位的了解，生產效率得到大幅度的提升。

3 虛擬現實技術的發展

3.1 未來前景

如今，VR技術引起的顛覆性的創新變革涉及眾多領域。在未來，虛擬現實與實際產業的結合無疑將給產業的革新升級帶來更大機遇，其自身巨大的商業價值也將得以體現。

從統計數據來看，目前國內有關行業的融資已達50億元，企業員工已達近100萬人，產業規模的迅速增長使得VR軟硬件技術快速進步，有望在未來對虛擬現實硬件逐步形成產業化、規模化生產。據目前國際領先的投資銀行高盛預測，至2025年，世界虛擬現實市場規模將有望達到1820億美元。同時，軟件和硬件技術的進步同樣帶動了潛在用戶規模的增長，虛擬現實設備的價格并非以往令人望而卻步，而自身體積的減小與用戶體驗的增加也吸引了市場更大的關注，根據預測，至2020年，保守估計，VR用戶群體規模相對現在將增長約50-100倍，可達2500萬人，可見虛擬現實在市場中的受歡迎程度。

3.2 當前局限

即使VR技術前景較為廣闊，但作為一項高速發展的科技技術，其自身的問題也隨之漸漸浮現，例如產品回報穩定性的問題、用戶視覺體驗問題等，對于VR企業而言，如何突破目前VR發展的瓶頸，讓VR技術成為主流仍是他們所亟待解決的問題。

首先，部分用戶使用VR設備會帶來眩暈、嘔吐等不適之感，這也造成其體驗不佳的問題。部分原因來自清晰度的不足，而另一部分來自刷新率無法滿足要求。據研究顯示，14k以上的分辨率才能基本使大腦認同，但就目前來看，國內所用的VR設備基本還處于單眼2k級別，遠不及騙過大腦的要求[5]。消費者的不舒適感可能產生的其對VR技術是否會對自身身體健康造成損害的擔憂，這必將影響VR技術未來的發展與普及。

VR體驗的高價位同樣是制約了其擴張的原因之一。在國內市場中，VR眼鏡價位一般都在三千元以上，而HTC與Valve所聯合開發的HTC Vive國行售價更是達到了6888元。當然這并非是短時間內可以解決的問題，用戶如果想體驗到高端的視覺享受，必然要為其內部更高端的電腦支付高昂的價格。

若想要使得虛擬現實技術得到推廣，確保其內容的產出和回報率的穩定十分關鍵。其所涉及內容的制作成本與體驗感決定了消費者接受VR設備的程度，而對于該高成本的內容，其回報率難以預估。其中對VR原創內容的創作無疑加大了其中的難度。

3.3 發展建議與展望

為應對VR技術現在所面臨的問題與挑戰，解決其自身存在的局限性，VR企業必須想辦法打破困局。

大型企業可以利用其本身全球化的布局影響積極推動VR產業的發展。以當今世界上最大的視頻網站YouTube為例，自2015年起，YouTube全面開始支持VR相關視頻的上傳和播放，并通過自身機器處理將熱門視頻實現VR特效的轉化，旨在通過VR視頻這一渠道吸引更多用戶參與并實現“VR民主化”的目標，從而以此提升自身知名度與品牌競爭力。在Google的支持下，Youtube平臺正逐漸將VR變成人人都可參與體驗的一項技術，這也無疑在自身收獲效益的同時推動了VR產業的發展。

將虛擬現實技術應用于當今熱門領域如人工智能實現AI交互。人工智能有助于實現用戶所需的智能化與個性化，而VR技術有助于實現用戶的沉浸式體驗，兩者的互補與結合作為一種全新嘗試，定會帶來全新體驗。人工智能的交互方式可以促進技術的深入發展，用戶可以在虛擬界面直接和AI進行交流。

目前，許多技術的應用尚未完全普及，例如屏幕彎曲度顯示技術等等，這都表明虛擬現實技術未來的發展承接在現有技術的突破和創新之中。在未來，隨著技術的不斷進步，虛擬現實的影響和價值將進一步擴大。虛擬現實技術所創設空間的科學藝術將提升人們的感官體驗，我們有理由相信，這有全新的認知事物的方式將為眾多領域的發展創造可能。

參考文獻

[1] 龐國鋒.虛擬現實的十堂課[M].電子工業出版社，2017.

[2] 宋利，羅瑩.虛擬現實技術及其廣泛應用[J].科學，2018（1）：9-13.

[3] 夏敏.淺談虛擬現實技術[J].通訊世界，2017（2）：27-28.

[4] 劉向東.一本書讀懂虛擬現實[M].清華大學出版社，2017.

[5] 張毅.虛擬現實技術的發展現狀與展望[J].電腦迷，2017（11）：32.