虛擬現實技術概述

喻斌 朱柯 吳開騰

摘要：虛擬現實技術是一項能夠有效模擬現實情境并能進行人機交互的高級技術，集合人工智能、計算機圖形學人機接口技術等多種技術，廣泛應用于多個領域。本文介紹了虛擬現實技術的特征和分類，對相關的關鍵技術進行間接，并結合虛擬現實技術在國內外的發展現狀及應用領域，對虛擬現實技術提出展望。

關鍵詞：虛擬現實；特征；分類；現狀；應用

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0215-02

1 引言

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是一種運用計算機和電子軟件，通過建模技術搭建虛擬場景，利用立體顯示技術在各個平臺上展現，結合傳感器技術、人機交互技術、網絡技術等實現包括視覺感知、聽覺、觸覺、力覺、運動等多種感知功能，并可輸入各種動作數據，實現虛擬技術的沉浸感，達到人機交互的目的。

虛擬現實技術（Virtual Reality Technology，VRT）是一種與傳統文字、聲音及終端視頻的簡單信息獲取技術不同的新技術，能夠借助建模技術對現實環境進行模擬并結合相關傳感設備，實現用戶身臨其境的感受，允許各種現實信息輸入的功能，包括動作、語音等實現用戶在虛擬環境下的可控性，達到虛擬現實的效果。在現在科技水平進步，人們生活水平及生活環境極其豐富的狀態下，廣泛應用于包括教育、醫療、軍事、娛樂等各個領域。

2 基本特征

虛擬現實技術最基本的特征為：沉浸感、交互感及想象感，1993年Burdea G[1]曾提出一個“虛擬現實技術的三角形”來表述其三個基本特征，即“3I”，分別是Immersion—Immersion，沉浸感是指通過借助特殊設備，使用戶能夠感到作為主角存在于模擬環境中，提供一種身臨其境的感覺。它是虛擬現實系統的核心。

Interaction，交互性是指參與者可以通過人機交互及各種感應設備，在模擬環境中實現現實的動作行為，如體感游戲中實現跑、跳等，或在視頻瀏覽中能夠通過轉動頭部切換視頻的視角等，是人機和諧的關鍵因素。

Imagination，想象性是指用戶通過沉浸感及交互性，對虛擬環境和現實環境進行聯想，了解其運動的規律性。

虛擬現實技術的三大基本特征：交互性、沉浸性及想象性，使用戶能夠沉浸在虛擬環境，又控制系統運動，超越現有的場景運動，有足夠的想象空間，強調了人的主導作用，而沉浸和交互又是虛擬現實技術區別于其他相關技術，如三維動畫等的本質區別。

3 一般分類

虛擬現實系統根據展現方式及操作方式不同，大致可分為四類，即：桌面式虛擬現實系統、增強式虛擬現實系統、沉浸式虛擬現實系統以及網絡分布式虛擬現實系統[3]。桌面式主要使用PC端普通顯示器或是立體顯示器供用戶觀測虛擬情景，用戶沉浸感較差；增強式虛擬現實系統能夠使用戶既能觀測到虛擬環境又能看到真實環境；沉浸式一般借助于頭盔式顯示器、定位器等設備，增強用戶在虛擬情景中的沉浸感；網絡分布式虛擬現實系統可以借助網絡等使位于不同地點的用戶聯系起來，對同一虛擬情境進行觀察和操作。

4 關鍵技術

一個完整的虛擬現實技術需要提供虛擬環境、顯示功能、人機交互等，這使得其關鍵技術主要包括以下幾個部分：

1） 動態環境建模技術：是虛擬現實技術實現的第一步，可利用相關軟件結合相關現實環境的三維數據，進行虛擬環境的搭建，目前階段應用較廣泛的軟件有3DS MAX、CAD、VRP等。

2） 立體顯示技術：當虛擬的三維環境構建完成后，若要被用戶觀測到，必須借助立體顯示技術使之能夠在各終端顯示，如普通PC端、手機顯示端、頭盔設備等。

3） 傳感技術：若完成前兩種功能，只能夠達到用戶能夠被動的觀察所構建的三維虛擬情景，并不能主動參與到其中，完成模擬現實的功能，因此，為達到這種功能，需要利用傳感技術，實現人機交互的功能，并通過定位等實現自主的控制虛擬情景里的事物。

4） 系統集成技術：系統集成技術是最關鍵的技術，相當于人體大腦，把各種技術按照一定規則進行協調、整合，使各相關技術均能協調合作，形成完整的VR系統。

5） 應用系統開發工具及軟件：制作一個完整的VR作品，需要借助一定的工具和軟件，完成上述關鍵技術，目前虛擬現實技術應用較多的軟件包括unity等。

5 研究現狀

目前，美國和日本的虛擬現實技術處于世界領先水平。美國是VR技術的發源地，基本代表國際VR發展的水平，目前該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面[4]。實際上，虛擬現實技術起源于美國，1929年，Edwin Link進行了第一次模擬仿真實驗，著手研究一種能夠使乘坐者感受飛行感覺的飛行模擬器。1989年，Jaron Lanier首次正式提出“Virtual Reality”一詞[5]，并被廣泛接受，成為專用名詞。日本主要致力于建立大規模VR知識庫的研究以及虛擬現實的游戲方面的研究。NEC公司開發了一種虛擬現實系統，能讓操作者都使用“代用手”去處理三維CAD中的形體模型，通過數據手套把對模型的處理與操作者手的運動聯系起來；富士通實驗室有限公司研究了虛擬生物與VR環境的相互作用，以及虛擬現實的手勢識別，開發了一套神經網絡姿勢識別系統[6]。

和發達國家相比，我國的VR研究起步較晚，但隨著科技進步，各個領域的快速發展，VR技術已經受到了越來越多的部門及專家的重視。其中，北京航空航天大學計算機系是國內最先進行VR研究的，目前，提供了用于飛行員訓練的虛擬現實系統，開發虛擬現實應用系統的開發平臺；中國科技開發院威海分院主要研究虛擬現實中視覺接口技術，完成了虛擬現實中的體現圖像對算法回顯及軟件接口[7]；清華大學計算機科學和技術系對虛擬現實和臨場感的方面進行了研究等。目前，各大重點高校重點部門都已在VR各技術方面進行相關研究，做出了很大貢獻。

6 應用

虛擬現實技術的成熟和功能的強大，由于通過模擬的形式進行實驗開發等能夠節省時間和經濟成本的優勢，各個領域都積極引入虛擬現實技術。最初，虛擬現實技術主要應用與軍事領域，目前，因其強大的功能性及適應性，遍及到商業、建筑、醫療、交通、教育和通信等諸多領域。

軍事[8]應用主要包括虛擬戰場環境、軍事訓練和武器裝備的研制和開發等；虛擬現實技術在商業[9]上的應用最多集中于游戲開發等，包括Unity3D等游戲制作工具等，與虛擬現實技術相關的有模擬真實環境、實現與交互娛樂的結合，使游戲的感覺更感性；虛擬現實技術在臨床醫療[10]中開展相關測試和手術教學實驗，應用于手術培訓、手術預演、臨床診斷、遠程干預、醫學輔助教學等環節，羅偉等采用建模技術構建肝臟、膽囊等模型，逼真度極高，并通過虛擬手術對學生進行教學，取得了一定的成果，還有在心理治療方面取得了很大的成果，如自閉癥兒童的VR游戲治療等；在建筑[11]方面，區別于傳統的二維建模手段，以3DSMAX為代表的三維建模軟件使得建筑行業進入3維時代，不再利用立面、剖面等各個平面進行建模，能更有效地對圖形進行設計及修改，但不能進行交互，虛擬現實技術使得人們可以走進一個完全基于真實世界的虛擬空間之中，更加真實詳盡的感受三維世界；虛擬現實技術在交通行業的應用，促進了交通仿真技術的進步，楊曉光等[12]把虛擬現實應用于交通工程實驗之中，能夠清楚直觀地再現現實環境的交通流，有利于試驗結構及結論的優化；虛擬現實教育技術方面的研究主要表現為虛擬仿真效應，天津大學在國內最早開發了基于VRML國際標準的虛擬校園，成為這一領域的先驅，其后，還有浙江大學中央廣播電視大學遠程教育學院等進行了應用。

7 展望

虛擬現實技術是一項利用多項技術實現虛擬情景構建及人機交互的高級技術，由于該技術沉浸感、交互性和想象性的特征及強大功能使其在多個領域中都得到了廣泛應用并取得了一定的成果。

客觀地說，虛擬現實技術的發展目前來說還不夠成熟，主要在建模時間較長，實時性需要有所提升；感官體驗不強，如有的頭盔式設備長時間攜帶會造成體驗者頭暈的狀況，定位感應系統不夠靈敏等狀況。未來VR技術的發展還需要在軟件和硬件方面加深研究，使環境模擬和體驗效果能夠更加符合現實及增強舒適性。

參考文獻：

[1] 牟長軍，童志偉.綜述虛擬現實技術及其應用[J].Equipment Manufactring Technology NO.1，2007：63-65.

[2] 汪成為，高文，王行仁.靈境（虛擬現實）技術的理論、實現及應用[M].清華出版社，1996：5-6.

[3] 李敏，韓豐.虛擬現實技術綜述[J].軟件導刊，2010：142-144.

[4] 姜學智，李忠華.國內外虛擬現實技術的研究現狀[J].2004：238-240.

[5] 楊江濤.虛擬現實技術的國內外研究現狀與發展[J].信息通信.2015：138.

[6] 姜學智，李忠華.國內外虛擬現實技術的研究現狀[J].遼寧工程技術大學學報，2004：238-240.

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[8] 蔣一，魏駿，虛擬現實技術及其在軍事領域的應用[J].國外電子測量技術，2007（1）：43-45.

[9] 孫冬，王超，虛擬現實技術在商業及建筑動畫設計中的應用[J].2017：24-25.

[10] 羅偉，李珊珊，田夫等，虛擬現實技術在醫療中的應用[J].中華醫院管理雜志2005（12）：827-838.

[11] 朱寧克，鄒越，虛擬現實技術在建筑設計的應用[J].北京建筑工程學院學報，2008（1）：34-37.

[12] 楊曉光，張楠，基于現實與虛擬交互的交通流再現試驗方法[J].同濟大學學報自然科學版，2018（12）：1559-1667.

【通聯編輯：梁書】