VR技術分析與應用發展

劉文婭

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摘要：虛擬現實技術（VR）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圖形技術、人工智能、跟蹤技術、仿真技術等于一體，其基本實現方式是計算機模擬一個三維空間的虛擬環境，讓體驗者在聽覺視覺等多感知方面身臨其境，從而給體驗者帶來環境沉浸感。隨著社會科技的不斷進步，各行各業對VR技術的需求日益旺盛，可以說，21世紀是VR技術的年代。

關鍵詞：虛擬現實;多感知;三維

中圖分類號：TP311? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0241-03

1 VR技術簡述

虛擬現實技術（VR）是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，使用戶沉浸到該環境中。虛擬現實技術就是利用現實生活中的數據，通過計算機技術產生的電子信號，將其與各種輸出設備結合使其轉化為能夠讓人們感受到的現象，這些現象可以是現實中真真切切的物體，也可以是我們肉眼所看不到的物質，通過三維模型表現出來。因為這些現象不是我們直接所能看到的，而是通過計算機技術模擬出來的現實中的世界，故稱為虛擬現實。

2 VR發展歷程

虛擬現實的發展歷程經歷了四個階段：

1）第一階段（1963年以前）有聲形動態的模擬是蘊涵虛擬現實思想的階段。

1929年，Edward Link設計出用于訓練飛行員的模擬器;1956年，Morton Heilig開發出多通道仿真體驗系統Sensorama。

2）第二階段（1963—1972）虛擬現實萌芽階段。

1965年，Ivan Sutherland發表論文“UltimateDisplay”（終極的顯示）;1968年，Ivan Sutherland研制成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器（HMD）;1972年，NolanBushell開發出第一個交互式電子游戲Pong。

3）第三階段（1973—1989）虛擬現實概念的產生和理論初步形成階段。

1977年，Dan Sandin等研制出數據手套SayreGlove;1984年，NASA AMES研究中心開發出用于火星探測的虛擬環境視覺顯示器;1984年，VPL公司的JaronLanier首次提出“虛擬現實”的概念;1987年，JimHumphries設計了雙目全方位監視器（BOOM）的最早原型。

4）第四階段（1990年至今）虛擬現實理論進一步的完善和應用階段。

1990年，提出VR技術包括三維圖形生成技術、多傳感器交互技術和高分辨率顯示技術;VPL公司開發出第一套傳感手套“DataGloves”，第一套HMD“EyePhoncs”;21世紀以來，VR技術高速發展，軟件開發系統不斷完善，有代表性的如MultiGen Vega、Open Scene Graph、Virtools等。

3 VR技術特征

三維動畫是以腳本的形式存在，沒有互動性，所有畫面都是由制作者設置好的，在影視行業和建筑廣告行業運用較多。而虛擬現實技術具有多感知交互性，簡單說就像玩游戲一樣，電腦和你是可以互動的。虛擬現實技術現在在游戲里用得比較廣泛，其具有以下特征：

1）沉浸性

VR的沉浸感是指用戶感同身受作為主角存在于虛擬現實中的真實程度，這是VR技術最主要的特征。影像沉浸感的主要包括感知性、自主性、三維圖形中的深度信息、畫面的視野、實現跟蹤的時間或空間響應以及交互設備的約束程度等。

2）交互性

VR的交互性是指用戶對虛擬現實中對象的可操作程度和從虛擬現實中得到反饋的自然程度，包括實時性。主要借助于專用設備（如操作手柄、數據手套等）產生，以自然的方式，如手勢、身體姿勢、語言等技能，如同在真實世界中一樣操作虛擬現實中的對象。

3）多感知性

VR的多感知性表示計算機技術應該擁有很多感知方式，比如聽覺，觸覺、嗅覺等等。理想的虛擬現實技術應該具有一切人所具有的感知功能。由于相關技術，特別是傳感技術的限制，目前大多數虛擬現實技術所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、觸覺、運動等幾種。

4）想象性

VR的想象力是指用戶在虛擬現實世界中根據所獲取的多種信息和自身在系統中的行為，通過邏輯判斷、推理和聯想等思維過程，隨著系統的運行狀態變化而對其未來進展進行想象的能力。對適當的應用對象加上虛擬現實的創意和想象力，可以提高生產效率、減輕勞動強度，提高產品開發質量等。

4 VR關鍵技術

虛擬現實系統提供了一種先進的人機界面，通過為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等多種直觀而自然的實時感知交互的方法和手段，最大程度地方便了用戶的操作，從而減輕了用戶的負擔、提高了系統的工作效率。虛擬現實的關鍵技術主要包括：

1）自然交互

VR技術中強調自然交互性，即人處在虛擬世界中，與虛擬世界進行交互，甚至意識不到計算機的存在，即在計算機系統提供的虛擬現實空間中，人可以通過各種感覺方式直接發生交互，這就是虛擬環境下的自然交互技術。目前，與虛擬現實技術中的其他技術相比，這種自然交互技術相對不太成熟。

2）高帶寬

現在計算機輸出的內容已經可以快速、連續地顯示彩色圖像，其信息量非常大。而人們的輸入卻還是使用鍵盤一個又一個地敲擊，虛擬現實技術則可以利用語言、圖像及姿勢等的輸入和理解進行快速大批量的信息輸入。

3）智能化

精確化的交互是一種完全說明用戶交互目的的交互方式，鍵盤和鼠標均需要用戶的精確的輸入。但是，人們的動作或思維往往并不是很準確，而計算機應該理解人的要求，甚至于糾正人的錯誤，因此虛擬現實系統智能化的界面將是一個重要的發展方向。

4）高度模擬仿真

通過交互作用表示事物的現實性，傳統的計算機應用方式中，人機交互的媒介是用符號表示，是對現實的抽象代替。而虛擬現實技術則可以是模擬甚至想象和虛構，他能使用戶感到不是在使用計算機，而是在直接與應用對象打交道。

5 VR技術應用

VR涉及學科眾多，應用領域廣泛，重點研究心理學、控制學、計算機圖形學、數據庫設計、實時分布系統、電子學和多媒體技術等多學科融合技術，研究醫學、娛樂、藝術與教育等多個相關領域的虛擬現實技術和系統。正是虛擬現實技術的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了許多人的喜愛，在各行各業都得到了廣泛的應用。

1）在影視娛樂中的應用

近年來，由于虛擬現實技術在影視業的廣泛應用，以虛擬現實技術為主而建立的第一現場9DVR體驗館得以實現。第一現場9DVR體驗館自建成以來，在影視娛樂市場中的影響力非常大，此體驗館可以讓觀影者體會到置身于真實場景之中的感覺，讓體驗者沉浸在影片所創造的虛擬環境之中。同時，隨著虛擬現實技術的不斷創新，此技術在游戲領域也得到了快速發展。虛擬現實技術是利用電腦產生的三維虛擬空間，而三維游戲剛好是建立在此技術之上的，三維游戲幾乎包含了虛擬現實的全部技術，使得游戲在保持實時性和交互性的同時，也大幅提升了游戲的真實感。

2）在教育中的應用

如今，虛擬現實技術已經成為促進教育發展的一種新型教育手段。傳統的教育只是一味地給學生灌輸知識，而現在利用虛擬現實技術可以幫助學生打造生動、逼真的學習環境，使學生通過真實感受來增強記憶，相比于被動性灌輸，利用虛擬現實技術來進行自主學習更容易讓學生接受，這種方式更容易激發學生的學習興趣。此外，各大院校利用虛擬現實技術還建立了與學科相關的虛擬實驗室來幫助學生更好的學習。

3）在設計領域的應用

虛擬現實技術在設計領域小有成就，例如室內設計，人們可以利用虛擬現實技術把室內結構、房屋外形通過虛擬技術表現出來，使之變成可以看得見的物體和環境。同時，在設計初期，設計師可以將自己的想法通過虛擬現實技術模擬出來，可以在虛擬環境中預先看到室內的實際效果，這樣既節省了時間，又降低了成本。

4）在醫學方面的應用

醫學專家們利用計算機，在虛擬空間中模擬出人體組織和器官，讓學生在其中進行模擬操作，并且能讓學生感受到手術刀切入人體肌肉組織、觸碰到骨頭的感覺，使學生能夠更快地掌握手術要領。而且，主刀醫生們在手術前，也可以建立一個病人身體的虛擬模型，在虛擬空間中先進行一次手術預演，這樣能夠大大提高手術的成功率，讓更多的病人得以痊愈。

5）在軍事方面的應用

由于虛擬現實的立體感和真實感，在軍事方面，人們將地圖上的山川地貌、海洋湖泊等數據通過計算機進行編寫，利用虛擬現實技術，能將原本平面的地圖變成一幅三維立體的地形圖，再通過全息技術將其投影出來，這更有助于進行軍事演習等訓練，提高我國的綜合國力。

除此之外，現在的戰爭是信息化戰爭，戰爭機器都朝著自動化方向發展，無人機便是信息化戰爭的最典型產物。無人機由于它的自動化以及便利性深受各國喜愛，在戰士訓練期間，可以利用虛擬現實技術去模擬無人機的飛行、射擊等工作模式。戰爭期間，軍人也可以通過眼鏡、頭盔等機器操控無人機進行偵察和暗殺任務，減小戰爭中軍人的傷亡率。由于虛擬現實技術能將無人機拍攝到的場景立體化，降低操作難度，提高偵查效率，所以無人機和虛擬現實技術的發展刻不容緩。

6）在航空航天方面的應用

由于航空航天是一項耗資巨大，非常煩瑣的工程，所以，人們利用虛擬現實技術和計算機的統計模擬，在虛擬空間中重現了現實中的航天飛機與飛行環境，使飛行員在虛擬空間中進行飛行訓練和實驗操作，極大地降低了實驗經費和實驗的危險系數。

7）在手機行業的應用

國內智能手機市場的競爭是最為激烈，廠商之間的無硝煙戰爭更是涉及多個領域戰況甚是慘烈。現在這種較量已經不局限于手機領域，已經蔓延到了風頭正盛的VR行業。不少手機廠商早已紛紛布局了該領域，并先后推出了自家的VR頭顯設備。

6 VR技術局限

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設備遠不及騙過大腦的要求。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。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。

雖然目前VR技術的發展還不夠成熟，存在著許多爭議和技術局限性，但隨著時間的推移，這一切都會有所改觀。虛擬現實技術將會成為一種重要的新媒介和新的平臺。

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【通聯編輯：聞翔軍】