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簡介

所謂虛擬現實，顧名思義，就是虛擬和現實相互結合。從理論上來講，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]

虛擬現實技術受到了越來越多人的認可，用戶可以在虛擬現實世界體驗到最真實的感受，其模擬環境的真實性與現實世界難辨真假，讓人有種身臨其境的感覺；同時，虛擬現實具有一切人類所擁有的感知功能，比如聽覺、視覺、觸覺、味覺、嗅覺等感知系統；最后，它具有很強的仿真系統，真正實現了人機交互，使人在操作過程中，可以隨意操作并且得到環境最真實的反饋。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。 [2]

5G時代的到來，注定將成就虛擬現實技術。未來的生活趨勢將會更多的在虛擬與現實之間切換。 [10]

發展歷史

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。 [3]

2、第二階段（1963—1972）虛擬現實萌芽階段

1965年，Ivan Sutherland發表論文“UltimateDisplay”；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]

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提出“虛擬現實”的概念；1987年，JimHumphries設計了雙目全方*監視器（BOOM）的最早原型。 [3]

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”；

1993年11月，宇航員通過VR系統的訓練，成功的完成了從航天飛機的運輸艙內取出新的望遠鏡面板的工作，而用VR技術設計的波音777飛機是虛擬制造的典型應用實例；2022年加拿大造船公司Seaspan將3D沉浸式虛擬現實系統（VR）引入船舶設計，使設計師可在VR中實時瀏覽他們的設計。

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]

2022年12月2日，虛擬現實/增強現實入選“智瞻2023”論壇發布的十項焦點科技名單。 [11]

分類

VR涉及學科眾多，應用領域廣泛，系統種類繁雜，這是由其研究對象、研究目標和應用需求決定的。從不同角度出發，可對VR系統做出不同分類。 [4]

1、根據沉浸式體驗角度分類

沉浸式體驗分為非交互式體驗、人——虛擬環境交互式體驗和群體——虛擬環境交互式體驗等幾類。該角度強調用戶與設備的交互體驗，相比之下，非交互式體驗中的用戶更為被動，所體驗內容均為提前規劃好的，即便允許用戶在一定程度上引導場景數據的調度，也仍沒有實質性交互行為，如場景漫游等，用戶幾乎全程無事可做；而在人——虛擬環境交互式體驗系統中，用戶則可用過諸如數據手套，數字手術刀等的設備與虛擬環境進行交互，如駕駛戰斗機模擬器等，此時的用戶可感知虛擬環境的變化，進而也就能產生在相應現實世界中可能產生的各種感受。 [4]

如果將該套系統網絡化、多機化，使多個用戶共享一套虛擬環境，便得到群體—虛擬環境交互式體驗系統，如大型網絡交互游戲等，此時的VR系統與真實世界無甚差異。 [4]

2、根據系統功能角度分類

系統功能分為規劃設計、展示娛樂、訓練演練等幾類。規劃設計系統可用于新設施的實驗驗證，可大幅縮短研發時長，降低設計成本，提高設計效率，城市排水、社區規劃等領域均可使用，如VR模擬給排水系統，可大幅減少原本需用于實驗驗證的經費；展示娛樂類系統適用于提供給用戶逼真的觀賞體驗，如數字博物館，大型3D交互式游戲，影視制作等，如VR技術早在70年代便被Disney用于拍攝特效電影；訓練演練類系統則可應用于各種危險環境及一些難以獲得操作對象或實操成本高的領域，如外科手術訓練、空間站維修訓練等。 [4]

特征

1、沉浸性

沉浸性是虛擬現實技術最主要的特征，就是讓用戶成為并感受到自己是計算機系統所創造環境中的一部分，虛擬現實技術的沉浸性取決于用戶的感知系統，當使用者感知到虛擬世界的刺激時，包括觸覺、味覺、嗅覺、運動感知等，便會產生思維共鳴，造成心理沉浸，感覺如同進入真實世界。 [5]

2、交互性

交互性是指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度，使用者進入虛擬空間，相應的技術讓使用者跟環境產生相互作用，當使用者進行某種操作時，周圍的環境也會做出某種反應。如使用者接觸到虛擬空間中的物體，那么使用者手上應該能夠感受到，若使用者對物體有所動作，物體的位置和狀態也應改變。 [5]

3、多感知性

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。 [5]

4、構想性

構想性也稱想象性，使用者在虛擬空間中，可以與周圍物體進行互動，可以拓寬認知范圍，創造客觀世界不存在的場景或不可能發生的環境。構想可以理解為使用者進入虛擬空間，根據自己的感覺與認知能力吸收知識，發散拓寬思維，創立新的概念和環境。 [5]

5、自主性

是指虛擬環境中物體依據物理定律動作的程度。如當受到力的推動時，物體會向力的方向移動、或翻倒、或從桌面落到地面等。 [5]

關鍵技術

虛擬現實的關鍵技術主要包括：

1、動態環境建模技術

虛擬環境的建立是VR系統的核心內容，目的就是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要建立相應的虛擬環境模型。 [6]

2、實時三維圖形生成技術

三維圖形的生成技術已經較為成熟，那么關鍵就是“實時”生成。為保證實時，至少保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，最好高于30幀/秒。 [6]

3、立體顯示和傳感器技術

虛擬現實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術的發展，現有的設備不能滿足需要，力學和觸覺傳感裝置的研究也有待進一步深入，虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高。 [6]

4、應用系統開發工具

虛擬現實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，選擇適當的應用對象可以大幅度提高生產效率，減輕勞動強度，提高產品質量。想要達到這一目的，則需要研究虛擬現實的開發工具。 [6]

5、系統集成技術

由于VR系統中包括大量的感知信息和模型，因此系統集成技術起著至關重要的作用，集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別與合成技術等。 [6]

技術應用

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] 虛擬現實技術和可穿戴設備的研發降低了體育項目的參與門檻，諸如國際象棋等運動，選手們可接入服務器“穿越”到世界各地賽場，與各國高手同臺競技。 [12]

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的給學生灌輸知識，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。 [2]

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，使之變成可以看的見的物體和環境。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。 [2]

4、虛擬現實在醫學方面的應用

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，使學生能夠更快的掌握手術要領。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*行一次手術預演，這樣能夠大大提高手術的成功率，讓更多的病人得以恢復。 [7]

5、虛擬現實在軍事方面的應用

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。 [7]

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巡查等任務，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。 [7]

6、虛擬現實在航空航天方面的應用

由于航空航天是一項耗資巨大，非常繁瑣的工程，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]

7、虛擬現實在工業方面應用

虛擬現實技術已大量應用于工業領域，對汽車工業而言，虛擬現實技術既是一個最新的技術開發方法，更是一個復雜的仿真工具，它旨在建立一種人工環境，人們可以在這種環境中以一種自然地方式從事駕駛、操作和設計等實時活動。并且虛擬現實技術也可以用于汽車設計、實驗、培訓等方面，例如在產品設計中借助虛擬現實技術建立的三維汽車模型，可顯示汽車的懸掛、底盤、內飾直至每個焊接點，設計者可確定每個部件的質量，了解各個部件的運行性能。這種三維模式準確性很高，汽車制造商可按得到的計算機數據直接進行大規模生產。 [7]

發展局限

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。 [8]

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。 [8]

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，用戶如果想體驗到更好的視覺享受，必然要為其內部更高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。 [8]

參考資料

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