虛擬現實技術行業發展及應用探討

鄧桂美

(廣州南洋理工職業技術學院 建筑工程學院，廣東 廣州 510900)

1 引言

隨著計算機軟件和硬件技術的不斷發展，一項嶄新的綜合計算機圖形技術、多媒體技術、傳感器技術、人機交互技術、網絡技術、語音與識別技術、軟件工程、人工智能工程、立體顯示技術以及仿真技術等多種科學知識,發展起來的虛擬現實技術，為人們的生活、學習、娛樂提供了各種新的可能性和體驗性。各大企業把虛擬現實技術和自身企業的優勢相結合，研發出新的技術和新的產品，使虛擬現實在現在的日常生活中，逐步被人們所認識和熟悉。

2 虛擬現實技術的重要特征

虛擬現實是有效地模擬人在自然環境中視覺 、聽覺、觸感等行為的高級人機交互技術 ,它以模擬的方式為參與者創造了一個虛擬的現實空間。這個虛擬的現實空間是實時反映實體對象變化與環境相互作用的三維圖像世界。能夠讓參與者有視覺 、聽覺、觸感、嗅覺等感知行為的逼真體驗,使參與者可直接參與和探索虛擬對象所處環境的作用和變化 ,讓參與者仿佛置身于現實世界中, 產生沉浸感(immersive)、交互性(interactive)和構想性 (imagination)，這正是虛擬現實技術的最突出的特征 。例如,體驗者進入一個虛擬現實構造的建筑空間中, 會看到一棟棟高低形態各異的建筑 ,也能聽到的園林景觀中水景“嘩啦、嘩啦”的流水聲;當向建筑物走近時, 推開建筑的門，進入到建筑內部，可以看到建筑物室內的裝潢設計，天花吊頂的造型，地面瓷磚的花式等。可以說人處在虛擬環境之中跟現實環境是沒有差別的[1]。

2.1 沉浸感

沉浸感可以360度自由觀察虛擬現實的環境。一般的計算機圖形可以提供的是二維或三維的局部圖形，或者是預先設定好的固定路徑，人們必須要根據局部圖形，相互組合想象出具體的“想象空間”。“想象空間”給人的感覺是片面的，局部的，不具體，有差異的，不完整。虛擬現實可以為人們提供完整統一的虛擬現實環境。當人們戴上頭戴式的顯示器，進入虛擬現實環境，可以在虛擬現實環境中抬頭看到天空，低頭看到草地，觀察周邊的整體環境，參與者能以自然 、直接的方式與計算機進行人機數據交互;利用虛擬現實的沉浸功能, 用戶暫時隔離現時真實的環境，投入到虛擬的現實環境中，從而得到人們在虛擬現實環境中的真實體驗感。

2.2 交互性

參與者通過輸入設備，力觸覺(Tactical Haptics )、手勢模擬(Feel Three)、可穿戴控制器(Control VR )、眼跟蹤(Eyefluence)、頭跟蹤(Gestigon)、全向跑步機(Cyberith)等設備和虛擬現實環境互動。設備識別參與者的身體動作和姿勢，其通過與參與者進行包括視覺、聲音、觸覺、運動姿勢等全感官的信息交互，實現虛擬現實環境下的交互性指令的輸入，用人類在自然環境中學習到的技能，實現對虛擬現實環境的考察和操作。例如 ,參與者在虛擬的現實環境看到一個柜子，就可以用手去直接“打開”虛擬現實環境中的柜子的柜門。當參與者握住“柜門的扶手”時，手會有真實的觸感 ,輕輕推開“柜門”，可以看見到“柜門”從關閉到打開的形態變化，手拿起柜子中的物體時，被抓住的物體也會隨著手的移動而移動。參與者與虛擬現實環境之間，可以進行多維信息的交互作用 ,參與者與虛擬現實環境的交互性表現在，參與者的操作將使虛擬的現實環境發生變化。

2.3 構想性

構想性又稱想象性，是指虛擬現實環境可使人沉浸其中并且獲取新的知識, 提高感性和理性認識, 從而深化概念并萌發新意，進一步激發人的創造性思維。在傳統的工程設計場景中，用戶具有對“過去需求”和“當前設計”的綜合需要，設計成品更多的是工程師腦海中的想象。通過虛擬現實，用戶可以輕易的獲得“未來的成品”預覽，能夠對當前的工程設計進行更完善的構想。

3 虛擬現實VR技術的應用

3.1 文化娛樂

虛擬現實技術在文化娛樂方面運用最廣泛和被大眾所熟悉。 虛擬現實游戲的概念最早出現在網絡文學中。頭戴式顯示器(HMD：Head Mount Display)進入游戲世界，讓虛擬現實游戲變得更加接近于現實，虛擬現實游戲中的場景逼真的、360度沉浸式的現實在游戲者眼前。如三星、Facebook瞄準虛擬現實游戲為游戲未來發展的方向，并宣稱虛擬現實將成為未來的計算平臺。從國家知識產權局專利檢索及分析，國內虛擬現實游戲專利申請，在2014年之前都很少，雖然2001年就出現了1件申請，但截至2014年，總共才申請13件；從2015年開始，陸續有虛擬現實的游戲申請出現，2016年虛擬現實游戲的申請量出現了爆炸式增長。僅2016年共申請28件，比歷年的總和還有多，2017年持續翻倍增長，共申請了45件，考慮到 2018 年的專利申請還沒有完全公開，估計2018年的申請量依然會持續上升，可以不夸張的說，從中可以看出，最近3年，無論是中國還是全球，VR 游戲的申請量都得到了一個快速增長。預計未來 10 年，VR 游戲都將保持高速發展(圖1)。

圖1 各平臺VR消費內容總數

3.2 軍事仿真

隨著現代科技水平的不斷發展提高，現代戰爭的綜合性越來越強，耗資越來越巨大，而在和平時代，很多國家都在減少國防的投入。虛擬現實技術通過對戰場環境的模擬與構建、單兵實戰訓練以及軍事指揮人員的訓練，極大地優化了指揮控制系統的構建及評估效率，縮短了新型指揮控制系統的開發周期，以及新型裝備的評估周期，是加速推動 軍隊現代化的強有力的途徑之一。軍事仿真模擬和虛擬現實訓練，因為可以幫助縮減訓練費用，提高訓練次數，增大訓練人員范圍，較少的安全隱患的優勢得到大力的發展。目前VR理論與技術已日臻完善，尤其在以美國為首的歐美國家[2]。在20世紀80年代初，美國的國防高級研究計劃局(DARPA：Defense Advenced Research Projects Agency)為坦克編隊作戰訓練開發了一個實用的虛擬戰場系統 SIMNET[3]。士兵可以在虛擬現實的環境中做出各種復雜的姿勢和動作，還可以如同在真實訓練場上一樣使用各種槍支彈藥。出于訓練的需要，系統還能評估士兵在虛擬戰場的受傷程度，并通過回訪功能觀察士兵在訓練中的表現。指揮官則能夠在這一可控的軍事模擬現實系統中更方便的實時掌握士兵的戰場情況，結合作戰需求及時調整作戰方案和編隊結構。從而提高士兵的個人能力和指揮官的綜合能力。

3.3 教育教學

虛擬現實技術是運用計算機等設備對現實世界進行全面仿真的技術，能夠創設逼真的虛擬三維學習場景，滿足學習媒體的情境化及自然交互性的要求，在教育教學領域有著廣泛的應用空間[4]。大規模開放在線課堂：中國大學MOOC的出現為虛擬現實提供了廣闊的需求和條件。政府鼓勵通過MOOC遠程學習、資源共享等方式，可以部分解決教育資源分配不均、地域隔離等教學問題，這為虛擬現實的應用提供了應用條件。傳統MOOC的缺點是遠程教學很難實現師生間的互動功能，虛擬現實可以為師生提供了一種“身臨其境”的虛擬互動，彌補師生缺少互動的缺點，增進教學效果和質量。

另外虛擬現實還可以實現傳統教學場景難以提供教學體驗。傳統教學場景受限于場地、器材、成本消耗等，難以提供規模宏大、成本昂貴或危險性偏高的各種實驗環節。虛擬現實通過沉浸感和交互性，可以為師生直接提供可交互的三維立體空間，將學習者置于主動學習的中心地位，體驗傳統教學無法提供的場景。北京師范大學于 2016年3月18～24日舉辦了“2016北京師范大學‘智慧學習與VR教育應用學術周’”，體驗“八大行星”“火災逃生”等場景。VR教育應用案例的分析表明,VR有七大教育功能:體驗、探究、訓練、矯正、交流、創作與游戲。VR具備重塑教育的潛力,但VR大范圍變革教育的路還很長[5]。

虛擬現實在教育領域也面臨著問題和挑戰。首先是目前虛擬現實設備昂貴，短時間內無法大規模普及。另外教育類的虛擬現實App數量繁多，出現了許多教學模式和方法，如Varlet、Manuel；Filippeschi、 Alessandro等學者提出基于人際關系的協作學習模式(Coordination Model)；Dodd、Bucky.J、Antonenko 等學者的桌面虛擬現實在線學習管理系統； Rupasinghe、Thashika.D等學者的虛擬現實培訓綜合課程[6]。當前沒有標準、系統的VR教材，制作VR教材和教案的技術和成本要求都很高，無法做到像傳統電子教案那樣可以由教師經過簡單培訓后即可制作屬于本人的電子教案。可以看出虛擬現實在教學教育領域仍然處于初級階段，但其已經展現出足夠的潛力，虛擬現實廣泛應用于教學教育領域是未來發展的趨勢之一。

3.4 工程設計

虛擬現實技術在工程設計與分析上同樣有著很大潛力和需求。傳統的工程設計的較大缺陷是設計師和客戶體驗脫節，客戶描述的需求在工程師理解后產生的偏差只能通過下一次迭代修補，通常一個工程設計從需求到完工需要若干個迭代，迭代之間也會產生更多的偏差，溝通成本、失敗風險隨之升高。虛擬現實技術可以讓客戶在描述需求后，設計師實時提供“三維虛擬景象”供雙方參考,通過同步雙方的視覺體驗，大大提高溝通效率和設計效率，從而節約成本降低失敗風險。

虛擬現實技術在工程設計上發展迅速，具體的技術和應用包括：英偉達(NVIDIA)的全息甲板平臺Holodeck該平臺提供逼真的協同設計功能，團隊各成員可以共同思考創意、規劃設計、建立模型、驗證及測試解決方案，然后反復共同修改并完善作品。

建筑信息模型技術BIM(Building Information Modeling)近年來在國內外得到迅速普及應用，是建筑行業信息化的重要途徑，虛擬現實和BIM的三維信息技術有著密切關聯，能進一步提升BIM的應用潛力。比如在施工團隊進場前，施工、設計、監理等各團隊可以通過虛擬現實技術仿真整個施工方案，所有成員均可以獲得統一的項目全貌，降低由于各團隊成員因為傳統溝通方式引發的理解偏差。所有人通過共同參與，反復推演優化方案，極大提高溝通效率和降低返工風險。將BIM與VR技術應用于城市地下工程中,通過BIM軟件revit繪制虛擬環境中的質量模型樣板,再經過3ds MAX軟件做燈光、材質等渲染處理,制作動畫,渲染導出avi格式動畫視頻,最后結合暴風魔鏡vr軟件實現沉浸式的動態漫游,解決了地下工程施工空間有限以及各類管線錯綜復雜而容易引起的施工安全與質量問題[7]。

虛擬現實在工程設計方面處于起步階段，仍然面臨不少問題。 首先，是虛擬現實在構建虛擬仿真環境過程復雜，如HoloDeck等平臺，需要受過專業訓練的VR技術人員負責。有學者提出集成虛擬現實環境(VR-IDEA)[集成虛擬現實環境在工程設計分析中的應用], 通過簡單且可以重復利用的腳本語言實現虛擬環境的構建工作，對比目前設計上常用的CAD等技術，該技術依然有一定的技術復雜性。隨著技術發展，目前已經有商業公司提供專用易用的VR工具套件給工程設計人員使用，如針對BIM套件的BIMite，BIMVR Lab等。由于缺乏工業標準以及技術的普遍性，通用的VR工具仍然處于發展探索階段。其次，目前虛擬現實為工程設計帶來的投入和收益不成比例。設計人員、開發人員投入大量時間和精力構建的虛擬場景，僅僅讓用戶體驗一次“現場”之旅，產生收益有限。

4 結語

虛擬現實在文娛(游戲、視頻)、教育教學等行業已經具備相當的技術和用戶基礎，具備大規模發展的潛力和基本條件。在工程設計方面，虛擬現實擁有足夠的發展空間和技術積累。但虛擬現實為各行業帶來巨大收益前，還需要進一步降低硬件成本，提高用戶認知水平，降低構建虛擬場景的技術門檻，使虛擬現實能夠跨越投入和收益的平衡點，成為一項成熟穩定的應用技術。隨著信息化的發展虛擬現實具有更廣闊的應用并且創造更大價值。