虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

錢 雨

（清華大學(xué)，北京，10010）

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）已經(jīng)在不經(jīng)意間走進(jìn)了我們的世界，豐富著我們的生活，提升著人們的幸福感。隨著數(shù)字技術(shù)的不斷進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的表現(xiàn)能力也隨之增強(qiáng)，應(yīng)運(yùn)而生了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）是指通過裝置將現(xiàn)實(shí)世界的物體真實(shí)地轉(zhuǎn)換為虛擬世界的二維圖像，再通過計(jì)算機(jī)的計(jì)算將人眼所看到的圖像同時(shí)呈現(xiàn)在顯示屏、視覺頭盔等裝置上的技術(shù)過程，它不但可以同步現(xiàn)實(shí)世界的影像，還可以同時(shí)將虛擬的2D或3D圖像一同顯示，將真實(shí)世界和虛擬世界的信息合成在一起。目前，世界上許多知名的博物館，如底特律美術(shù)博物館、大別山地質(zhì)博物館，都使用A R技術(shù)來展現(xiàn)博物館中的館藏珍品，同時(shí)參觀者可以使用手機(jī)中的APP攝像功能，將博物館的作品同步到手機(jī)屏幕中，利用手機(jī)顯示作品的相關(guān)信息。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MR）是人們可以通過MR技術(shù)混合現(xiàn)實(shí)頭盔與虛擬物體在現(xiàn)實(shí)世界里實(shí)時(shí)互動(dòng)的一種技術(shù)。簡(jiǎn)言之，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)將VR和A R的優(yōu)點(diǎn)集于一身，使人們既可以看到現(xiàn)實(shí)世界，又能體驗(yàn)虛擬世界。例如在電影《頭號(hào)玩家》中，體驗(yàn)者帶上頭盔就會(huì)進(jìn)入到虛擬的“綠洲”，這就是虛擬現(xiàn)實(shí)情境（圖1）。進(jìn)一步說，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將真實(shí)的環(huán)境和虛擬的世界同時(shí)疊加到同一個(gè)畫面或空間中形成，混合現(xiàn)實(shí)是在虛擬環(huán)境中加入現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，以達(dá)到真假邊界模糊的視覺效果。未來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展勢(shì)必會(huì)給影視行業(yè)帶來新的突破和革新，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程為切入點(diǎn)，分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人類當(dāng)代社會(huì)生活中的應(yīng)用，探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在未來各行業(yè)中的發(fā)展前景，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展不是一蹴而就的，而是經(jīng)歷了意識(shí)、萌芽、形成與發(fā)展四個(gè)歷史階段。第一個(gè)階段（1963年以前）以蘊(yùn)含虛擬現(xiàn)實(shí)思想的出現(xiàn)為主要標(biāo)志，這時(shí)聲音、形狀、動(dòng)態(tài)模擬感應(yīng)概念被首次描述出來；第二個(gè)階段（1963—1972）計(jì)算機(jī)交互協(xié)作理論的初步提出為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的萌芽帶來契機(jī)；第三個(gè)階段（1973—1989）虛擬現(xiàn)實(shí)概念的理論逐漸形成并有所發(fā)展；第四個(gè)階段（1990—2004）虛擬現(xiàn)實(shí)理論進(jìn)一步的完善并實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域應(yīng)用。

1. 虛擬現(xiàn)實(shí)意識(shí)的孕育階段

真理是尋求的，科學(xué)是探索的。在幾百年前的吳哥窟已經(jīng)出現(xiàn)了360度展現(xiàn)歷史事件或場(chǎng)景全貌的全景壁畫，可見對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的全景模擬是人類很早便有的夢(mèng)想。1935年，美國(guó)著名科幻小說家斯坦利?溫鮑姆(Stanley G. Weinbaum）在他的短篇小說《皮格馬利翁的眼鏡》一書中描述了一種神奇的眼鏡(圖2)，當(dāng)人們戴上這種眼鏡后，就可以直接進(jìn)入到電影的各種場(chǎng)景中，不但可以感受到電影里的環(huán)境，甚至還可以和故事中的人物進(jìn)行交流，這一構(gòu)思被認(rèn)為是人類首次提出的虛擬現(xiàn)實(shí)理念型概念，就此打開了人類探索虛擬現(xiàn)實(shí)世界的大門。

2. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的萌芽階段

美國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)之父伊凡·蘇澤蘭（Ivan Sutherland）在他1965年發(fā)表的論文《終極展示》（The Ultimate Display）一文中，第一次提出將計(jì)算機(jī)顯示屏幕作為“一個(gè)觀察虛擬世界窗口”的理論假設(shè)，指出計(jì)算機(jī)技術(shù)為這個(gè)窗口提供逼真的景象、聲音、事件和行為，體驗(yàn)者可以通過這一方式和虛擬世界中的對(duì)象互相交流。他的這一提法為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了理論印證，讓人們意識(shí)到了這種技術(shù)是可以被實(shí)現(xiàn)的(圖3)。1965年，伊凡·蘇澤蘭又提出了感覺和交互真實(shí)的人機(jī)協(xié)作新理論，在這一理論指導(dǎo)下，美國(guó)空軍開始利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬飛行來培訓(xùn)飛行員和進(jìn)行戰(zhàn)斗指導(dǎo)。之后，他根據(jù)前期的研究成果發(fā)明出可以達(dá)到視覺沉浸效果的頭盔式立體顯示器和頭部位置跟蹤系統(tǒng)。1969年又開發(fā)出終極顯示器——達(dá)摩克利斯之劍。此后，經(jīng)過幾代人的不斷努力，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)終于從科幻小說走向現(xiàn)實(shí)。

3. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的初步發(fā)展

1987年，美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家、思想家、V P L公司創(chuàng)建人杰倫·拉尼爾（JaronLanier）首次提出了VR這一概念。1991年，V PL公司發(fā)布了V irt ua lit y 1000 CS虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，受到了普通消費(fèi)者的熱烈追捧，它是備用頭戴式顯示設(shè)備來播放視頻和音頻，用戶可以通過3 D操縱桿來進(jìn)行虛擬與現(xiàn)實(shí)的交互，由于價(jià)格的優(yōu)勢(shì)和便捷的可穿戴性，它被認(rèn)為是20世紀(jì)90年代最具影響力的VR設(shè)備，同時(shí)也是消費(fèi)級(jí)VR的重大飛躍。

4. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的蓬勃發(fā)展

進(jìn)入21世紀(jì)，數(shù)字化時(shí)代的到來促使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了迅猛發(fā)展，人們以價(jià)格更低廉、穿戴更方便、視覺效果更逼真為需求，不斷改進(jìn)VR技術(shù)和相應(yīng)的VR設(shè)備，各種擁有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的VR設(shè)備不斷涌現(xiàn)，基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的沉浸式頭戴設(shè)備(HM D)、移動(dòng)（M o b i l e VR）等VR硬件設(shè)備開始進(jìn)入了普通消費(fèi)市場(chǎng)。VR的巨大發(fā)展?jié)摿ξT多公司開始研發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在這一背景下，微軟、索尼、Oculus（Faceb oo k旗下品牌）、谷歌、蘋果、三星、HT C等科技企業(yè)都開始進(jìn)入這一技術(shù)領(lǐng)域。此后，VR技術(shù)在醫(yī)療、飛行、制造和軍事領(lǐng)域也開始得到深入和廣泛的應(yīng)用與研究。

圖1 《頭號(hào)玩家》虛擬現(xiàn)實(shí)情境

圖2 馬格利翁的眼鏡

圖3 1970年計(jì)算機(jī)設(shè)備顯示技術(shù)功能

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的當(dāng)代應(yīng)用

由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠創(chuàng)造出與現(xiàn)實(shí)社會(huì)相似的情境，體驗(yàn)者能夠獲得身臨其境的感覺，當(dāng)代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)不限于應(yīng)用在視覺藝術(shù)中，在現(xiàn)代社會(huì)生活的諸多領(lǐng)域都有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

1. 教育領(lǐng)域

VR技術(shù)應(yīng)用在教育領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以打破空間與時(shí)間的限制，全方位、多角度地展示教學(xué)內(nèi)容，不但能夠豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，還可以使學(xué)生主動(dòng)參與到教學(xué)過程中來，由被動(dòng)聽講轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的虛擬環(huán)境為學(xué)生提供了良好的人機(jī)交互情景，許多實(shí)踐類、創(chuàng)作類的課程均可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境來完成，這極大地提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效率。此外，VR在現(xiàn)代教育觀念、教學(xué)內(nèi)容和手段、教學(xué)效果評(píng)價(jià)、教育均衡發(fā)展以及課件開發(fā)等各個(gè)方面都有十分重要的實(shí)用價(jià)值。

2. 營(yíng)銷領(lǐng)域

VR技術(shù)在當(dāng)代營(yíng)銷領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用價(jià)值。消費(fèi)者可以通過VR技術(shù)觀看產(chǎn)品的生產(chǎn)、包裝、品控等各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)景直播，更加了解產(chǎn)品的服務(wù)和品質(zhì)。這種營(yíng)銷方式給消費(fèi)者帶來強(qiáng)烈參與感的同時(shí)，也加深了消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的認(rèn)同感，提高了產(chǎn)品銷量和產(chǎn)品品牌的好感度。

3. 新聞?lì)I(lǐng)域

VR技術(shù)在新聞?lì)I(lǐng)域的應(yīng)用前景也十分廣闊。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過實(shí)景還原新聞現(xiàn)場(chǎng)，使觀眾有身臨其境的感覺體驗(yàn)，可以真實(shí)、準(zhǔn)確地了解新聞內(nèi)容，增強(qiáng)新聞報(bào)道的交互性、提升新聞價(jià)值。對(duì)于一些綜藝節(jié)目的直播，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過豐富演播室的背景增加現(xiàn)場(chǎng)感，還可以實(shí)現(xiàn)電視新聞與新媒體常態(tài)化的實(shí)時(shí)互動(dòng)，使傳統(tǒng)的電視媒體和新媒體得以更加深入地融合。

4. 醫(yī)療領(lǐng)域

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在當(dāng)代醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也受到廣大群眾的關(guān)注。其主要應(yīng)用是運(yùn)用VR技術(shù)預(yù)先模擬手術(shù)，以便醫(yī)生了解在手術(shù)過程中將要出現(xiàn)的各種情況，從而規(guī)劃將要進(jìn)行的工作，VR技術(shù)可在臨床操作中提高成功率、減少失誤和操作時(shí)間。此外，在手術(shù)導(dǎo)航、醫(yī)療教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、康復(fù)輔助等方面，VR技術(shù)也具有十分廣闊的發(fā)展前景。

5. 娛樂領(lǐng)域

游戲情境應(yīng)用是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。以英 國(guó)近期發(fā)明的滑雪模擬器來說，使用者身穿滑雪服、腳踩滑雪板、手拄滑雪棍、頭帶頭盔顯示器，手腳上方都裝著傳感器，在斗室里做著各種各樣的滑雪動(dòng)作，便可通過頭盔式顯示器，看到堆滿皚皚白雪的高山、峽谷、懸崖陡壁一一從身邊掠過，其體驗(yàn)就如同在滑雪場(chǎng)里進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的真實(shí)感覺。VR技術(shù)的發(fā)展、使用給大眾的娛樂生活增添了新的內(nèi)容，使其參與感、幸福感得到明顯的提升。

三、VR影視的新挑戰(zhàn)

電影是融合了視覺、聽覺的綜合性視聽藝術(shù)形式。從其誕生之日起，電影自身的特點(diǎn)就決定了電影藝術(shù)的每一步發(fā)展都與科技密不可分。VR電影是借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及傳感器技術(shù)而生成，在三維環(huán)境中模擬人類感官，使人們完全沉浸并享受在虛擬世界中的電影形式。伴隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展，它給人們帶來的真實(shí)感愈加強(qiáng)烈，這種真實(shí)感不僅僅表現(xiàn)在對(duì)觀眾的頭部、眼睛、手腕等重要部位的動(dòng)作進(jìn)行精準(zhǔn)的捕捉，還能對(duì)觸覺、嗅覺等進(jìn)行感知，從而根據(jù)要求對(duì)電影影像進(jìn)行合理的調(diào)整。對(duì)于觀眾來說，VR電影的最大價(jià)值在于其不但可以形成人景互動(dòng)，而且能讓觀眾擁有對(duì)劇情的選擇權(quán)，使觀眾在電影的觀影過程中的主體地位得到前所未有的提升。通過對(duì)VR技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，VR技術(shù)在影視界具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ诓痪玫膶恚琕R電影將沖破枷鎖，不再受維度的限制，不再受視角的束縛，全方位地滿足廣大觀眾的視覺要求，以及聽覺、觸覺和嗅覺上的真實(shí)模擬感受，使他們能夠完完全全地浸潤(rùn)、享受、投入到影片中，這對(duì)未來的電影行業(yè)將具有深遠(yuǎn)而廣泛的影響。

1. VR技術(shù)的介入改變了電影的敘述方式

VR技術(shù)為電影提供了嶄新的敘事方式。由于VR技術(shù)具有虛擬性和交互性，使電影從傳統(tǒng)的線性敘事向非線性敘事或多線性敘事轉(zhuǎn)變，觀眾可以自由地選擇觀看視點(diǎn)，而不需要按照導(dǎo)演預(yù)先安排的劇情觀看，當(dāng)然這就要求電影在主體劇情之外還要并行設(shè)置各種輔助劇情來滿足觀眾的多樣化需求。由此，VR技術(shù)的介入對(duì)傳統(tǒng)的電影敘事方式產(chǎn)生了極大的沖擊，使其向更人性化、多樣化的表現(xiàn)邁進(jìn)了一大步。

2. VR技術(shù)豐富了電影鏡頭語言的表現(xiàn)

鏡頭語言對(duì)傳統(tǒng)電影來說十分重要，但VR電影卻撼動(dòng)了鏡頭語言的存在價(jià)值。傳統(tǒng)電影是在二維平面上放映影像，用銀幕講述故事，此時(shí)的鏡頭語言是電影敘事的主要工具。而VR電影則是用360度視點(diǎn)的存在來構(gòu)造一個(gè)三維空間，與傳統(tǒng)電影的鏡頭語言單位不同，VR電影的單位是場(chǎng)景，場(chǎng)景的存在弱化了傳統(tǒng)電影語言剪輯存在的痕跡。因此，VR電影為了觀眾能夠更加真實(shí)地體驗(yàn)三維場(chǎng)景，在場(chǎng)景的切換頻率上必須嚴(yán)格把控，只有在合理設(shè)置切換頻率的基礎(chǔ)上，運(yùn)用交叉、漸變、擦除、疊化等VR技術(shù)，才能滿足觀眾的方向感和真實(shí)感體驗(yàn)的需求。

3. VR技術(shù)使受眾獲得更佳的觀影體驗(yàn)

由于VR電影所展現(xiàn)的是更深入和有意義的故事，觀眾在虛擬現(xiàn)實(shí)中不再是簡(jiǎn)單地看或聽，而是完全沉浸在其中。VR技術(shù)不僅可以讓觀眾在觀賞電影時(shí)獲得視覺、聽覺、觸覺上的體驗(yàn)，甚至可以通過立體電影設(shè)備感受到氣味，從而豐富觀眾的感官刺激，觀眾可以在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)營(yíng)造的逼真情形中感受到鳥語花香、奇幻世界、太空夢(mèng)想等以往不可能實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景，從而獲得更佳的觀影體驗(yàn)。

四、結(jié)語

VR技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)生活中的多方面得到了應(yīng)用，尤其在影視行業(yè)的發(fā)展中，不但使觀眾得到了前所未有的觀影體驗(yàn)，同時(shí)也對(duì)傳統(tǒng)電影的拍攝方式和鏡頭語言表達(dá)產(chǎn)生了極大的沖擊和挑戰(zhàn)。迄今為止，我們對(duì)VR技術(shù)的探求還只是漫漫征途中的一小步，人類追求科技進(jìn)步的步伐永不止息。隨著VR技術(shù)的發(fā)展，未來的VR電影將會(huì)不斷刷新我們對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的認(rèn)知，讓科技之美在電影藝術(shù)中不斷綻放。