虛擬現實技術的分類及應用

李 巍

（安陽廣播電視臺，河南 安陽 455000）

虛擬現實（Virtual Reality，VR）單從客觀學術表達的角度，虛擬現實技術指的不僅是計算機圖形技術所生成的視覺，還有聽覺、觸覺、運動，甚至于現在人們還在探索的味覺、嗅覺等，所以VR技術被稱為多感知，通過這些多方面多角度技術，讓虛擬現實使用者產生身臨其境的感覺。

1 VR技術的要素和分類

VR技術是仿真技術的一個重要方向，是仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術和網絡技術等多種尖端技術相結合而成的，作為一門交叉技術，VR技術擁有一定的難度基礎，同時，VR技術又是一門極具有挑戰性的前沿學科和研究領域。1956年之后，隨著硬件設備的飛速發展，VR技術的理論也日趨完善。一般來說，理解虛擬現實有4個關鍵要素：想象（Imagination）、交互（Interaction）、沉浸（Immersion）和行為（Behavior）。由于這4個關鍵要素中的前3個要素的英文字母都是以“I”為開頭，后一個以“B”開頭，所以業界又簡稱為“3I+B”。

1.1 理解VR的4個要素

1.1.1 沉浸感

沉浸感就是指通過視覺、聽覺等使得用戶有身臨其境的感覺，來增加虛擬世界的真實性。因為相對于理論的提出順序而言，沉浸感是后來加上去的，而同時沉浸感也成了區分，虛擬現實設備好壞和VR技術類型的一大重要依據，同時這也是虛擬現實技術發展的目標之一。

1.1.2 想象

想象主導著VR內容甚至是VR產業的發展潛力，想象是VR的虛擬世界比之其他技術最吸引人的地方，想象的高度決定著VR內容以至于VR產業的發展深度以及影響范圍，就拿計算機游戲舉例，數學家運用“掃雷”這個游戲研究概率而普通人只是單純地用這個游戲來解悶。同時針對行業目前的情況，想象也是十分重要的。想象為精品內容的出現提供了可能，為新的交互方式、新的行為方式提供了靈感，跳出傳統思維才是屬于未來的思考方式。

1.1.3 交互

交互是指計算機通過各種各樣的傳感器捕捉用戶的動作等信息，同時經過處理后與人能夠產生相互作用，包括對于物體的可供操作的程度，交互是沉浸感中不可缺少的一大重要影響因子，交互的實時性對于硬件的要求頗高，由于人類自身的物理反應，稍微的延遲就會嚴重影響體驗。交互也使得VR不單單是簡單的360度全景視頻，它拓寬了VR的領域與應用范圍。簡簡單單的轉頭也是交互的一種，從簡單的環形熒幕到“陀螺儀”，這里不得不談一個小小的例子：1968年受制于當時的技術水平，科學家Ivan Sutherland發明的VR頭戴設備“達摩克利斯之劍”是依靠懸掛在天花板上來減少它的重量，由此我們不得不再次感嘆科技的力量。

1.1.4 行為

行為是行為的基礎，行為是交互的表達方式。從硬件角度而言，單純只有頭戴顯示設備的時候，用戶的行為緊緊局限于視覺的相關方面，從目前來說，要進行更多的互動就意味著需要更多的不同類別的傳感器，所以VR手柄、激光定位器、追蹤器、運動傳感器甚至于VR座椅、VR跑步機等應運而生。

2 VR技術的主要類型

根據VR技術應用在其他領域采用的不同形式和最直觀的沉浸度來區分，VR技術可以劃分為以下4類。

2.1 小型傳感器

簡單的光線傳感器、距離傳感器等小型傳感器，抑或者只是計算機界面的模擬應用。但是由于其造價低和門檻低的特點，這種類型的VR技術應用最為廣泛。

2.2 沉浸式虛擬現實

比之桌面式虛擬現實，沉浸式虛擬現實則提供更高層次的完全的沉浸式體驗，使得用戶有一種置身于虛擬世界的感覺。幾乎所有沉浸式虛擬現實的分類都是以頭盔顯示器為關鍵設備，當然隨著科技的發展，業內的趨勢是拋棄繁重的頭盔設備，轉而以眼鏡甚至是直接投影在眼球上來代替。

沉浸式頭盔是一種將使用者與真實環境隔離的先進顯示裝置，它可以分別為左眼和右眼提供兩個既包含平行視差又獨立的圖像，類似于3D電影的拍攝和播放原理。再加上各種類型的傳感器對現實的分別模擬，就能夠產生一種極強的立體真實感。這種類型的VR技術是目前影響最廣，在可操作的前提下潛力最大的一類。更多的商家也愿意在這一類的VR技術上做投資。

2.3 增強現實性虛擬現實

增強現實性虛擬現實，則是跳出了對現實的模擬和仿真，轉而要加強參與者對于真實世界的感受，也就是那些無法感知或者是不方便感知的事物。比如說用戶去參加車展，帶上相關的設備后看車，車子的各類信息就會在設備上顯示出來，這樣用戶就不必再去詢問抑或者查詢資料。增強現實是VR技術發展的目標和最終形態，但是受限于相關技術的發展。

2.4 分布式虛擬現實

簡單來說，分布式虛擬現實系統是前面3類的集合版本。分布式虛擬現實系統是指基于網絡的虛擬環境，使得位于不同物理位置的多個虛擬環境或者多個用戶能夠通過網絡相連接。虛擬現實系統運行在分布式環境下有兩種原因：（1）基于計算機發展的強大的分布計算能力。（2）某些應用本身就具有分布特性的需要，比如，各類網絡游戲或者假使分隔在兩地的人能夠通過VR技術實現“面對面”的交流等。

3 VR技術在各領域的應用

VR技術在各領域的應用從產生之初就受到高度關注，特別是需要消耗大量人、財、物以及具有危險性的應用領域，具體來說主要包括以下幾個方面。

3.1 在工業上的應用

VR技術使得現代工業設計得以更進一步，新的思路帶來了新的創新的可能，作為現代工業的核心環節，VR技術在傳統設計的基礎上代替了老一套的平面設計，使得二維平面設計上的束縛得以突破。在進行產品設計時，可以利用計算機仿真、遙感等現代最新技術，將產品的質量、性能等全面地展示在三維空間中。設計師可以在計算機的幫助下，更加直觀地觀察到產品成型的狀態，就能迅速地找出產品設計中的不足并且更快地加以解決，這樣就可以縮短設計的周期，提高現代產品制造的效率，從而減少了研發成本，進而提高了產品的市場競爭力。不僅如此，利用分布式類型的VR技術，顧客還可以率先在虛擬世界里使用虛擬的產品，降低了直接投入市場運營的風險，而且三維空間中產品能夠更好地體現設計者的設計理念，表達出設計者正確的想法。

3.2 在教育上的應用

VR教學是VR技術應用領域的一大重要目標，因為不論在什么情況下，教育的重要屬性都不會減弱。比之于傳統的面授黑板教學或者多媒體教學，VR教學能夠更加吸引學生的興趣，虛擬交互使得教育從被動變為主動，對于知識的表達也更加的直觀。同時也為某些教學增加了安全系數，比如在化學的教學中，既可以利用VR技術在桌面上使得書本上的專業器具名詞更加的立體，又可以利用沉浸式設備模擬化學反應的發生，不僅保證了安全，而且相比于視頻能夠從各種不同的角度更加直接地觀察。

3.3 在軍事上的應用

利用VR技術搭建的虛擬戰場，可以使得士兵能夠提前適應將要作戰的環境并且在與實地環境極為接近的狀態下進行戰斗的演練等工作，VR技術的發生地美國在這一點上走在了前列：當年的海灣戰爭，士兵們對于周遭的環境并不會感到異常陌生，因為他們之前在模擬器中看到過、感受過不止一次這樣黃沙漫天的場景，畢竟在戰場上時間是最重要的，敵人無時無刻不對你進行攻擊，你需要做的就是馬上解決眼前的問題。

VR技術在軍事中除了在戰場上的應用，還有在戰后士兵的心理修復方面也扮演著重要的角色。利用高配置的VR頭盔，在各類傳感器的幫助下，使得能夠再現當初戰場的圖像、聲音甚至于是氣味，士兵就能在專業醫生的監控下重新面對他們體會他們所經歷的一切，同時減輕了談話治療的負擔，成為醫者的全新的一項改善治療的選項。

3.4 在醫學上的應用

VR技術能很好地解決看病遠、看病難的問題，患者通過掃描自身的信息然后發送給醫生進行診斷，或者通過之前設定的數據進行一些小疾病的自我檢查。傳感器對于身體的掃描而產生的信息匯總，會比病人自我描述顯得更加詳細，有利于縮短診斷的時間，提高疾病治療的成功率。在某些醫生不能到場的情況下，可以利用VR技術進行遠程醫療。例如醫院遠程會議、遠程實時合作手術等。在手術中，可以通過操縱手術機器人代替人手來完成一些高難度的動作，甚至是進入血管等體內的微型機器人，進行腫瘤的切除等外部很難完成的手術。

3.5 在游戲上的應用

普通的游戲無論是2D抑或是3D都不會產生VR游戲這般真實的體驗，同時由于游戲的普適性，VR技術在游戲上的應用也是VR技術推廣的重要部分，拋棄了鼠標和鍵盤的束縛，真正的以玩家為主角中心。VR技術幫助玩家“真實”實現了自己的夢想，例如使命召喚的VR版本可以讓玩家體驗真實的戰場，實現普通人的戰場夢：STEAM的B. Braun Future Operating Room游戲讓玩家過了把醫生的癮。還有賽車、飛行等數不勝數。

3.6 在手機上的應用

由于手機和周遭電子設備的智能化，VR技術與手機的結合可謂是相得益彰，在桌面式虛擬現實方面，手機可以通過安裝APP來模擬各種控制器來達成例如空調溫度的控制，智能電視頻道換臺，窗簾的自動開關等，這也是最近各廠商樂忠的生態家居的概念。在沉浸式虛擬現實方面，受限于設備成本，行業自己的發展衍生出了名為虛擬現實眼鏡和虛擬現實頭盔的區別產品，就像手機行業的低端機和高端機的產品定位分布。除去配置和做工的差別，虛擬現實眼鏡是依靠鏡片為技術核心，借助智能手機來作為它的“主機”。由于所需的硬件在手機內的高度集成，虛擬現實眼鏡的成本就大大降低了，真正降低了沉浸式VR的門檻，例如小米手機推出的小米VR眼鏡，三星手機推出的Gear VR，暴風影音的暴風魔鏡等都屬于這個范疇。