VR技術的應用

文/張重 宿小陽

VR技術的應用

文/張重 宿小陽

VR（虛擬現實）是近年CES（消費電子展）最受關注的話題之一。市面上VR產品眾多，其中HTC Vive是目前最高端的VR頭戴式顯示器（簡稱：頭顯，Head Mounted Display）。筆者記錄了首次使用Vive的基本流程和所作的準備工作，精心挑選了VR在游戲、旅行、設計、醫療、視頻、教育（培訓）等各個不同領域中，最有代表性的多個應用（app），在切實感受VR帶來的震撼體驗之余，詳細分析了配合Vive使用的多個應用的特點，深入總結了Vive頭顯目前存在的問題。通過觀察VR在教育領域應用的現狀，思考了VR在教育（培訓）領域發展的未來。

VR HTC Vive 首次體驗

VR（Virtual Reality，虛擬現實）是2016年度消費類電子產品行業最火的關鍵詞之一，VR業內也將2016年公認為VR元年。這一年，VR從年初火爆的媒體宣傳到年中各大廠商旗艦產品紛紛上市，再到年末風投熱潮過后逐漸平靜的資本市場轉向追求內容為王，消費者仿佛過山車一樣體會到了VR前所未有的爆發和沖擊。

1 VR是什么

虛擬現實，英語為virtual reality，縮寫為VR，簡稱虛擬技術，也稱為虛擬環境，是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供用戶關于視覺等感官的模擬，讓用戶感覺仿佛身歷其境，可以及時、沒有限制地觀察三維空間內的事物。用戶進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的三維世界視頻傳回顯示設備，以此產生臨場感。

簡單說，VR通過由計算機模擬視覺、觸覺、聽覺的交互設備讓人在虛擬場景中產生沉浸感，仿佛置身于真實環境一樣。

VR在上世紀90年代，就已經有了成型產品，比如軍用領域的作戰訓練、飛機研發和飛行員訓練、汽車研發中的虛擬樣車。只不過價格高昂，沒有民用普及。而近年來火爆的VR是實用的民用VR技術，只有帶頭部追蹤功能的頭戴式顯示器，只能有限的模擬視覺感官。但是其價格降低到了普通消費者也可以接受的水平，由此產生了一系列的市場反應。

2 VR的主要產品

目前，VR在移動端的代表產品有Google Cardboard，Samsung Gear VR。針對PC端的代表產品有Oculus Rift，HTC Vive。針對游戲主機的代表產品有PSVR。

移動端的產品又可分為插片式和一體機，前者需要在VR設備上插入手機作為顯示設備，后者相當于把手機和VR設備整合在一起，成為頭戴式顯示設備。針對移動端開發VR設備的廠商眾多，產品參差不齊。

3 HTCVive的真實體驗

HTC Vive是目前最貴的VR設備。英文vive/vi:v/本意是萬歲，不過在HTC的新品發布會上，V大寫之后，Vive發音為 /vaiv/，是HTC與 Valve（注：目前最大的電子游戲制造商）合作推出的虛擬現實顯示設備，也是目前市面上最高端的頭顯。突出的優點是支持房間內的精準動作捕捉。優勢在于Valve旗下Steam游戲平臺（注：目前全球用戶量最多的電子游戲平臺）上有HTC Vive可以享用的豐富內容。

3.1 HTC Vive的基本配置

如圖1所示，HTC Vive標準消費者版本中包含一個內置前置攝像頭及Vive電話服務的VR頭顯，兩個無線VR控制手柄，整套空間定位傳感裝置（兩個定位器），特別為預訂用戶限時免費提供的三款VR應用。

圖1：HTC Vive

Vive頭顯的左右眼分別為一塊1200×1080的AMOLED屏幕，加在一起雙眼分辨率為2160×1200。最低幀率為90FPS，視場為110°。兼容大多數標準規格的眼鏡，自帶可調節頭帶和兩個可選面部襯墊，可調節瞳距和目視間隙。

Vive頭顯裝有32個定位感應器，一個前置攝像頭。為了讓體驗不中斷，Vive內置的Chaperone 系統在玩家接近游戲區邊緣時會顯示網格線，提醒玩家到達虛擬空間邊界。也可以通過前置攝像鏡頭在虛擬世界里疊加看到現實中的物理物體。這樣，玩家沉浸在虛擬現實中時，不摘掉頭顯，也可以同時看到真實世界的情況。

2個定位器覆蓋360°，支持在對角線長度至多5米的長方形區域里進行精密動作捕捉，比如3.5米×3.5米的空間。

2個可充電的無線控制器，即游戲手柄，各有24個定位感應器，提供了360°厘米級的精密動作捕捉。內置可充電的960毫安時鋰離子電池，搭載了二段式板機、多功能觸摸板和高清觸感反饋。

圖2：HTC Vive游玩區play zone

圖3：The Blu

圖4：Google Tilt Brush

3.2 使用Vive的硬件準備

Vive必須搭配電腦使用，對電腦配置要求很高，Vive官網給出的PC最低配置是：

GPU：與NVIDIA GeForce? GTX 970、AMD Radeon? R9 290 性能相同或更佳

CPU：與Intel? i5-4590、AMD FX 8350性能相同或更佳

RAM：4GB或更多

視頻輸出：HDMI 1.4、DisplayPort 1.2 或更高USB端口：1 個USB 2.0 端口或更佳端口操作系統：Windows 7 SP1、Windows 8.1或Windows 10

3.3 安裝基站，準備游玩區

如圖2所示，游玩區既指玩家體驗Vive的真實空間，也指VR的虛擬邊界。玩家與虛擬現實物體的互動都將在游玩區中進行。在游玩區里自由活動是Vive設計的初衷和特色，Vive也可用于靜止不動的站姿和坐姿體驗。

HTC Vive支持在對角線長度小于5米的空間內進行動作追蹤，最小空間不能小于2米乘1.5米。玩家如果想體驗運動中的虛擬現實，就必須事先準備出足夠大的真實空間。

兩個激光定位器需要固定于房間對角線的兩端，外接電源，使用無線方式進行數據傳輸。如果房間內障礙物多，在兩個定位器間可以加裝同步傳輸線，保證動作捕捉的精準度。

通過串流排連接頭顯與電腦，一共有3根線，視頻線HDMI，數據線USB及音頻線Audio。Vive也提供無線連接模塊，需要額外購買，Vive官網聲稱正式產品將于2017年第一季度上市。

支持力回饋的游戲手柄通過無線連接，需要充電后才能使用。

3.4 Vive軟件安裝和調試

硬件安裝完成后，聯網訪問Vive官網www.vive.com，在線安裝Vive及SteamVR軟件。

安裝過程中，需要先更新顯卡驅動到最新版本。

安裝完成的Vive軟件，相當于是應用程序商店，提供各種VR游戲下載。SteamVR是Vive設備的硬件管理軟件。用戶也可以訪問Valve旗下的steam網站，安裝Steam客戶端，下載更多VR游戲及相關資源。支持多種支付方式，其中包括大陸最時髦的支付寶和微信支付。

3.5 穿戴Vive

穿戴Vive頭顯前，需要事先測量用戶的瞳孔距（IPD），調節頭顯旋鈕，以保證兩眼看到正確的三維顯示結果。Vive可以調節頭帶松緊以保證穿戴舒適。平時戴眼鏡的用戶，戴著眼鏡也可以穿戴Vive頭顯，Vive也支持定制專門的Vive近視或遠視鏡片。

在電腦上啟動安裝好的SteamVR，Vive或Steam，玩家就可以戴好Vive頭顯，進入虛擬現實的世界了。

4 有意思的VR內容

4.1 Vive自己的體驗教程

第一次使用VR的人，剛剛戴好頭顯，僅僅看到環繞四周的星空，就開始驚呼了。見到教自己使用手柄的機器人已經嚇了一跳。原來VR真的這么真實。

4.2 The Blu，上市時間2016年4月，75RMB

如圖3所示，潛身深海，驀然回首，發現巨大藍鯨正回眸看你的瞬間，體驗者全身心感受到VR的震撼效果和巨大潛能?？梢哉fTheBlu是詮釋VR沉浸感的最佳應用，沒有之一。

4.3 Nvidia VRFunhouse，上市時間2016年7月，免費

在一個虛擬的嘉年華中，有7個小游戲。射擊，射箭，拳擊……任何一個都可以充分感受HTC Vive游戲手柄的交互功能。

必須使用NVidia（中文名稱：英偉達）顯卡，使用其他顯卡不能正常運行。推薦使用GTXTi1080以上配置，可以充分利用NVidia高端VR顯卡來提升顯示性能，最大化圖像質量。GPU多核心可以平行工作，一顆核心渲染左眼，一顆核心渲染右眼。實時渲染，著色加速。固體碰撞，流體影響，火焰，爆炸，煙霧，毛發等物理特效都可以做到最好。NVidia還提供了開發工具包，開放源代碼，幫助用戶自行開發。NVidia VR Funhouse為開發者提供了很好的開發樣板。

4.4 The Lab，上市時間2016年3月，免費

The Lab是Valve公司開發的一系列VR示范游戲的合集。提供了多種不同的VR體驗享受，來探索虛擬現實的無限可能。

其中的Slingshot（打彈弓）和Longbow（射箭），是所有VR體驗館必備的游戲。

4.5 Tilt brush，上市日期2016年4月，88RMB

如圖4所示，Tilt Brush是Google公司推出的在虛擬現實里使用的三維繪畫軟件，是設計界目前最炫酷最時髦的應用。能立體作畫，從各個角度看自己的畫作，給藝術家帶來無法比擬的美好感受和全新的創作手段。

4.6 Fruit Ninja VR，上市日期2016年7月，48RMB

圖5：Engage

圖6：VR Class

Fruit Ninja（水果忍者）在觸屏時代剛剛開啟的時候，就風靡全球，成為了最適合觸屏操作的游戲。進入VR時代后，水果忍者用最直接最舒適的方式讓不同年齡不同水平的用戶都能體驗到真正的虛擬現實游戲，雙手持刀（游戲手柄），在3維虛擬世界里面切開環繞身體360度的水果，用刀背挑開炸彈時，手柄的力回饋，讓玩家深刻感受適合VR操作模式的游戲，是怎樣一種愉悅的體驗。

4.7 Everest VR，上市日期2016年8月，48RMB

Everest VR是旅行類應用的標桿。以第一人稱視角，用照片級真實場景，帶來登頂珠穆朗瑪的親身體驗和絕無僅有的心靈震撼。包含5個場景：山腳營地，恐怖的Khumbu冰瀑，在4號營地過夜，驚險的Hillary天梯，成功登頂。還可以解鎖上帝視角，感受只有VR里才能體驗的喜馬拉雅。

4.8 The body VR: Journey inside a cell，上市日期2016年10月，免費

The Body VR支持多種語言，有中文字幕和解說。伴隨著悅耳動聽的講解，玩家將縮小到和病毒一般大小，進入人體內部，從心臟開始，隨著血液的流動旅行，360度觀察血紅細胞如何工作，如何運送氧氣到達全身的各個角落。親眼見證器官的運行、血液的流動、細胞的結構，以及免疫系統和病毒的戰斗。一段10分鐘左右的親身感受，勝過任何枯燥的醫學課本。

4.9 IKEA VR Experience，上市日期2016年4月，免費

宜家廚房的虛擬樣板間，支持互動，甚至可以炒菜。實時比較櫥柜使用多種不同材質的飾面效果，還能以兒童的視角體驗整個廚房。

4.10 Vive Video，上市日期2017年3月，免費

Vive Video（虛擬影院），可以在VR頭顯上觀看3D，180?和360?全景視頻。幾乎各大視頻網站都推出了自己的VR版，并積極的籌備自己的VR內容。愛奇藝，優酷，搜狐，樂視，暴風影音等在視頻解碼方面，各有千秋。無人機廠商大疆（DJI）拍攝了非常多的全景視頻資源，使用Vive體驗這些內容，猶如雄鷹在蒼穹翱翔，俯瞰大地，非常震撼。

4.11 Engage，上市日期2016年3月，免費

如 圖5所 示，Engage是Immersive VR Education公司開發的免費使用的教育和演示平臺，通過VR技術分享創意和傳授課程。方便結合多種途徑進行分享，可交互的VR教室同時允許最多30人互動，教師能對學生進行實時指導，可以多種方式記錄課程內容。

阿波羅11號VR，牛津大學的VR遠程醫療救助Demo，泰坦尼克號VR等著名的VR獲獎作品都出自此公司之手，顯示出Engage平臺的巨大潛力。

當前，VR內容的開發目前較多使用Unity3D和Unreal兩種游戲引擎，眾多創業者都在積極的嘗試開發VR內容。HTC也希望借助Valve旗下的Steam提供技術和內容支持的同時，將Vive及動作捕捉系統開源，方便更多開發人員開發Vive應用。打造像蘋果手機iPhone及蘋果商店AppleStore一樣的產業生態鏈。

5 教育應用的觀察和思考

2016年，浙江省高考作文是“當虛擬世界里的‘虛擬’，越來越成為現實世界里的‘現實’，你是選擇擁抱這個世界，還是可以遠離他或者保持適當的距離？”當時很多考生根本還不知道虛擬現實是什么。由此激發諸多教育從業者對VR的深入觀察和思考。

傳統教育存在一定的局限性，書本上文字記錄的知識完全依賴學生的自我理解和想象，多媒體教學在交互性上難以滿足教與學的互動需求，教學的資料內容和展現形式相對單一。而VR的沉浸式體驗和交互提供了一種近乎有著無限可能的全新教學方式。

作為教育領域革命性的新事物，VR迅速成為行業關注的焦點，國內在線教育的競爭已經白熱化，VR不僅刺激了線上，還直接進入線下。

新生的VR教育創業公司在開拓市場，傳統的教育公司開發VR教育內容，各大互聯網公司布局VR教育，諸多傳媒公司涉足VR教育，不斷有高校組建VR實驗室，以AR/VR為特色的早教公司已然成型，VR在專業人才培訓方面的應用日趨成熟?？梢哉f，VR已經侵入了從早教，學前教育，小學初中的義務教育（K12），高中大學的科班教育到職業教育和出國留學培訓的全系統和全流程。

VR在教育領域的應用目前主要有兩方面：一方面是數學，幾何，物理，化學，生物，天文，地理等傳統意義上的理科課程，比如生物細胞的變化、化學反應的過程、天體運行的規律、地質運動的變遷等，VR能更好的幫助學生學習常規課堂上人眼無法直接觀察的領域；另一方面是實際動手操作的訓練，尤其是操作設備非常昂貴的行業，比如汽車專業的學生學習發動機的內部結構和維修操作，飛機駕駛員真正飛上藍天前的模擬訓練，VR教學和訓練都能直接節省成本。

按照中國應試教育的特色，目前很多VR教育都是以體驗沉浸感來激發學生的學習興趣和培養學生的愛好作為主打優勢，這也就決定了VR對于全日制教育來說，很可能將一直是以課外興趣小組的形式存在下去，然而這并不能充分體現VR相對于傳統教育模式的優勢。同時，執行全日制教育的主體——學校作為政府財政預算行政體系下的單位，在VR教學中的資金投入非常謹慎。

相對而言，以技能培訓為主的職業教育，在國家大力發展職業教育的政策支持下，或許存在更多的可能性。

圖7：Orient and Letv

圖8：VR Medical

圖9：Excavator Training

以國外市場為例，VR技能培訓已經頗受追捧。例如主打各種企業課程技能培訓的在線學習平臺OpenSesame在已經拿到1000萬美元的基礎上，最近又完成了900萬美元的融資。教育服務機構MEL，開發VR/AR交互式化學儀器，獲得250萬美元投資。

國內最火的技能培訓是語言。樂視教育與新東方合作的VR英語教學課程就在探索VR的教學效果。使用全景視頻錄制課程，學員以觀看VR直播的形式享受老師講課，還可以切身感受小班授課的課堂討論氛圍，如圖7所示。

雖然，在線教育的自學完成率很低，通常第二堂線上課程的點擊率相比于第一堂課直線下降，完成全部自學課程者更是寥寥無幾，盡管如此，在線教育的形式依然被認為是未來重要的教育方式之一。而VR將為職業教育提供無限遐想的可能，不論是線上還是線下。

筆者認為，VR將在以下方面進一步滲透并取得階段性成果：

（1）專業培訓：軍事訓練，如飛行員訓練，無人機駕駛，跳傘，射擊等；醫療培訓，如外科手術演練。

如圖8所示。

（2）技能培訓：體育競技培訓，如沖浪、滑雪等各種極限運動；汽車駕駛培訓，如考駕照，專業設備操作培訓，如挖掘機。

如圖9所示。

（3）安全教育：火災、地震等災難預演的逃生演習。

游戲和教育，一向被業內公認為是VR的垂直領域，而教育產業的規模無疑遠遠大于游戲產業。以我國在線教育為例，預計2016年，規模將逾1400億元，同比增長超過20%，人數達到8700萬人。根據歐洲教育科技組織Edtech Europe《2016教育科技趨勢報告(2016 Edtech Trends)》，目前全球教育開支超過5萬億美元，是軟件產業的8倍，是媒體娛樂產業的3倍。全球教育支出預計以每年8%的速度增長(高于全球GDP年增長的4%)，到2020年達到8.1萬億美金。

Edtech Europe在報告中指出，按照地域來分，亞太地區增速最快，年增長率達到20%，2020年將占據全球教育科技市場的54%。中國是新型教育技術的領先者和關注的焦點，2020年中國家庭的教育費用開支將超出現在的6倍。

在教育發展的浪潮中，VR站在了風口，VR將讓學習者“學的更快，記的更牢，干的更好”（Learn faster, remember longer, and decidebetter）。

[1]程聰,劉書香.高職院校虛擬現實核心課程體系的建設[J].北京工業職業技術學院學報,2017(04).

[2]2016年科技產業十大趨勢風潮VR虛擬實境排名第一[J].電子工業專用設備,2016(02).

[3]黃鑫.基于VR技術的虛擬教學應用研究[J].江西教育學院學報,2008(06):50-52.

[4]張強．數字時代下VR技術帶給藝術設計教育的嬗變[J].設計教育,2017(04):102-103.

[5]余華鴻.虛擬現實技術的應用現狀及發展[J].信息技術,2002(04):181-182.

作者單位北京首鋼工學院信息工程系 北京市 100144