虛擬現實技術發展淺談

徐一夫

摘 要 虛擬現實技術是一種交互式仿真技術，其通過多種手段帶給用戶以沉浸式體驗，并被認為是繼電腦、手機之后的新一代計算平臺。文章簡要介紹了虛擬現實的演進歷程，主要技術方向及所遇到的技術瓶頸，并以此引出對VR技術應用領域的敘述，最后展望了VR技術的發展前景。

關鍵詞 虛擬現實技術；發展階段；3I特征；應用現狀

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）224-0122-02

虛擬現實技術是一種數字化環境，它以計算機技術為主干，并綜合利用了仿真、多媒體、并行處理、圖形渲染、屏顯等多種技術，以求在視、聽、觸感等方面與一定范圍內的真實環境高度近似。VR技術被認為是21世紀最具潛力的發展學科之一。

VR概念、思想的形成從產生萌芽到獨立發展，經歷了近一個世紀的時間。如今隨著社會生產力和科技的不斷發展進步，各行業對VR技術的需求空前旺盛，且隨著芯片等技術的提升，VR成本大幅下降，并逐漸走入我們生活的方方面面。本文擬就VR思想的形成、VR技術的發展與應用、研究現狀與問題等進行簡要闡述。

1 VR思想的形成與發展

VR思想從萌芽期到成熟期，先后經歷了以下幾個發展階段。

1.1 VR技術的前身（1963年以前）

在人類數千年探索自然的過程中，對認識、模擬自然的渴望早已有之。而如今，隨著技術的發展及生產生活的需要，對可以模擬自然、進而助人類更好地適應和利用自然的科學方法和科學技術的需求更是日趨強烈。在此背景下，虛擬現實技術應運而生，其概念則隨著技術的發展而不斷演化。

VR技術與仿真技術息息相關，其起源最早可追溯至中國古代的有聲風箏。《墨子·魯問》記載：“公輸般竹木為鵲，成而飛之，三日不下”，風箏的擬真、互動等行為便是仿真技術在人們生活中的應用的實例。

經歷漫長歷史，發明家Link？E？A于1929年發明飛行模擬器，使乘坐者實現對飛行的感官體驗；其后Heileg？M于1956年開發出Sensorama（一種仿真摩托車系統），并于1962年為他的“Sensorama？ Simulator”？申請專利。Sensorama具有三維顯示及立體聲效果，并能產生振動感覺；Sensorama？ Simulator則已經具有一定VR技術思想。電子計算技術的發展及計算機小型化，也推動了仿真技術的發展，計算機仿真技術學科也逐步形成。此階段的VR技術，蘊含了虛擬現實的思想，處于概念和技術的醞釀階段。

1.2 VR技術的發展階段（1963—1989）

20世紀60年代，Ivan？Sutherland教授在其論文中闡述了有關計算機交互的內容。1965年他發表的論文the？ultimate？display（終極顯示）提出了著重于感覺、交互雙重真實的新式人機協作理論，推動了計算機圖形技術的發展，也為數據手套、頭盔顯示器（HMD）等設備的研究帶來啟發。1973年Myron？Krurger教授提出“Artificial？ Reality”，這是早期出現的虛擬現實詞匯；80年代中期，VR領域頻有大事件發生，如美國陸軍和美國國防部高級項目和研究計劃局（DARPA）共同實施的SIMNET（SIMulation？NETworking）計劃以及VPL公司Lanier？J提出的“Virtual？Reality”一詞。SIMNET計劃大獲成功，開創分布式交互仿真技術研究與應用之先河；而“Virtual？Reality”很快被研究人員普遍接受，成為該領域的專用名詞。

1.3 VR理論的完善及全面應用（1990年至今）

1990年在Dallas召開的SIGGRAPH會議上，就？ VR技術做出了大量討論，并提出VR技術研究的主要內容，如高分辨率顯示技術等。隨著計算機技術的高速發展，人類生活、工作的方式也因移動終端等的出現而改變。幾年前，Facebook？收購Oculus標志著VR產業井噴時期的到來，2016年更是被稱為“VR元年”。

2 VR技術的分類與基本特點

2.1 VR技術的分類

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。

2.1.1 方式一：沉浸式體驗角度

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。

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。

2.1.2 方式二：系統功能角度

系統功能分為規劃設計、展示娛樂、訓練演練等幾類，如：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極高的領域，如外科手術訓練、空間站維修訓練等。

2.2 VR技術的特點

VR技術特點的經典概括為“3I”，即沉浸感（immersion）、交互性（interaction）和構想性（imagination）。

沉浸感指VR環境對人體感官的欺騙性，包括視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺等，從而使體驗者具有極強臨場感；交互性指VR環境提供使用者以人性化操作界面和自然反饋；構想性是指在沉浸感和交互性加持下，由環境狀態和交互行為的變化引導參與者對未來產生構想。

近年來，隨著大數據技術等的興起，源于對圖像、視頻等的學習的高校建模手段成為熱點，虛擬環境自適應性的提升成為新一代亟待解決的難題，在此情況下，“智能化”或許將成為指導未來VR技術研究的重要特征。

3 VR關鍵技術與瓶頸

3.1 VR硬件

1）顯示設備。典型設備有頭盔顯示器。通過安裝其上的頭部運動跟蹤裝置，HMD可實現對用戶頭部當前姿態的準確捕捉，并計算相應的虛擬對象位姿，顯示在HMD屏幕上。如谷歌的Cardboard、三星和Oculus聯合設計的Gear？VR。此外，3D立體眼鏡、全息和環幕等也屬于主流VR顯示設備。

2）VR芯片技術。VR芯片的研發已成為國際著名芯片廠商搶占的熱點之一，典型代表包括高通驍龍835、845等，系列產品在3D？畫面、3D？音頻、空間定位以及手勢辨識等方面不斷優化；國內廠商如華為也在2017年9月2日推出了全球首款AI芯片麒麟970。

3）VR力觸覺交互設備。相應研究目前還處于初級階段，目標是使參與者在VR環境中實現觸覺、力覺等更為高級的感覺。國際上典型成果如芬蘭Linjama等、NOKIA實驗室與劍橋大學等分別實現的表面觸覺反饋系統，可在觸摸屏表面實現觸覺紋理的再現。

3.2 VR軟件

VR軟件技術包括數據庫、應用軟件系統等。在VR環境中，場景需要實時繪制，大量虛擬對象需要在分類保管的數據庫中實現保存、使用和更新；應用軟件系統則是實現VR技術應用的關鍵，用戶選取合適的工具包，再由軟件系統完成幾何、運動、聲音等方面的建模。

3.3 VR技術的不足

虛擬現實技術發展迅猛，但仍存有許多問題。如硬件設備難以滿足市場需求，計算機處理能力及速度十分有限，這在很大程度上限制了VR設備的擬真程度；應用領域局限，新成果多應用于軍事、科研等領域，工業及民用領域應用率低；此外，現階段VR技術難以達到真正的擬真效果，用戶在運動頻率偏大時難以避免地產生眩暈等不良反應，直至目前仍無有效解決手段。

4 VR的應用現狀與發展趨勢

自VR技術產生之初，即受到多個行業的高度關注，如為軍事及航天領域研制的分布式虛擬戰場環境及哈勃望遠鏡的維修訓練系統等，均取得令人滿意的成果。今天的VR更被應用在多個領域，如教育、交通等，并收獲了可觀的經濟與社會效益。

4.1 VR在工程中的應用

由幾百萬零件組成的波音飛機，對建造技術提出極高要求；為實現其產品設計與性能評價，“虛擬裝配設計環境”技術應運而生，這便是一個VR技術基于制造業的經典應用。在城建領域，VR也取得了大量成果，如我國浙江大學開發的虛擬故宮系統；此外，VR在核工業、石油、水電等領域也取得一定成就。

4.2 VR在醫學中的應用

2003年初，第一軍醫大學完成國內首例女虛擬人的數據采集，在此之前，VR技術已在全球醫療領域取得一定進展。醫生可借助VR系統進行外科手術模擬，或通過虛擬的醫療手術治療系統對患者進行遠程治療。

近年來，VR也在文化教育、游戲、影視等領域受到人們歡迎。可以說，VR技術的應用現狀十分樂觀。

4.3 VR技術的發展趨勢與前景展望

在各種領域的設計上，VR環境下的產品研發已成為企業必須直面的問題，其設計速度高、消耗資源少、所需操作人員少的優良特點已得到廣泛關注。要實現這一技術，仍需解決開發過程中的“知識熔合”（Knowledge？Fusion）問題，即將多領域知識嵌入產品開發過程中，以及從根本上實現VR產品模型的精確性、可靠性與普適性，使企業最大程度獲益。

在醫學上，醫學虛擬系統的完成將是21世紀極有意義的一項挑戰；在文化教育方面，VR的應用可解決硬件資源的不足，并便于學習者進行虛擬實驗、虛擬訓練等多元學習內容；工程領域，VR也具有廣泛的發展前景，并持續吸引著工業界及資本市場的目光。

VR源于實際，又是現實世界的“強化”版本，其蘊含著大量未知，潛能無限，必將在21世紀對人類產生極為廣泛而深遠的影響。

5 結論

歷經60余年的發展與演進，VR技術已初具雛形，并得到了一定范圍的應用。由于其獨特的不可替代性，各國均建立了支持VR技術的長期戰略，如英國發布的“2015—2020年8個新興科學技術集群的戰略報告”，有6項涉及VR內容；我國頒布的《國家中長期科技發展規劃綱要（2006—2020）》也將VR列為信息領域優先支持的3個方向之一。雖然距離建立真正的虛擬現實交互系統仍有較大距離，但隨著基礎理論的進步與技術層面的不斷突破，可以樂觀地預測VR技術的全面突破。它正向著滿足人類不同層面需求的方向發展，并終將無處不在。

參考文獻

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