淺析虛擬現實技術的發展與應用

張蕓強，錢坤，李煥良

（陸軍工程大學野戰工程學院，江蘇 南京 210007）

虛擬現實是由多門學科交叉而形成的新興領域，其核心是構建數字化環境，并讓體驗者可以借助某些特殊的設備和數字環境中的對象進行交互，使得體驗者產生真實的感覺，它主要研究領域包括數據獲取、分析建模、繪制呈現、傳感交互四個方面。隨著計算機算力不斷地提高、計算機圖形學不斷的發展、人機交互等技術不斷的迭代更新，加上人工智能、云計算、邊緣計算、5G等技術的輔助加持，現階段的虛擬現實技術正處于一個高速發展的時期。

虛擬現實技術具有顛覆性，它改變了人們體驗虛擬世界的方式。人們不再局限于二維顯示，而是通過三維顯示來感受虛擬世界，體驗的真實感有了極大提升；交互方式也有了極大的改變，過去主要以鍵鼠方式進行信號輸入，而虛擬現實技術則通過手勢捕捉、眼球追蹤等技術手段捕捉體驗者自然形體動作，分析判斷其意圖并產生相應交互，從而實現自然交互方式；同時，虛擬現實技術也將人們的視野極大地拓展，過去由于屏幕限制，可看視角極其有限，現在人們不僅可以體驗到360度全景顯示，而且顯示的畫面也會和人們的行動產生聯動；虛擬現實技術的顛覆性還在于其便攜性，如今虛擬現實技術的生產廠商都在致力于可穿戴設備的研究，在未來這一類設備勢必會“無感化”。

1 虛擬現實的概述

虛擬現實英文名稱Virtual Reality，縮寫為VR，又稱靈境技術，是指以計算機技術為核心、結合人工智能、光學、運動學等相關技術，借助一些特定的交互、運算和顯示設備，生成逼真的、具有視覺、聽覺和觸覺的虛擬環境，用戶在虛擬環境里與虛擬物體進行實時交互，使用戶沉浸其中，并產生身臨其境的感官體驗。虛擬環境是由計算機運算、模擬出來的色彩鮮明的立體視景，它可以是某一真實世界的再現，也可以是基于真實世界的一種改變，甚至是純粹構想出來的虛擬世界。

虛擬現實具有調沉浸性、交互性和想象性等3個方面特性。沉浸性是指用戶借助顯示、音效等設備將自己的視覺完全融入計算機營造的虛擬環境，用戶感覺自己已成為虛擬環境的一個組成部分，從而從被動的觀察者變成了主動的參與者。虛擬現實注重人與虛擬世界之間通過自然方式進行交互。即人通過借助數據手套、力反饋器等一些特殊的交互設備與虛擬世界進行交互，如用手抓取虛擬世界的物體，會感覺與真實世界抓取物體一樣具有重量、外形等感知，人甚至會忽略計算機的存在。想象性是指虛擬環境是由人憑空想象出來的，這些想象出來的虛擬環境體現出設計者一定的實現目標及思想。

2 虛擬現實的發展史

虛擬現實的起源最早可以追溯到20世紀60年代，Sensorama仿真模擬器的誕生，如圖1所示。它是由被譽為虛擬現實之父的Morton Heilig發明，此模擬器集成了3D顯示器、風扇、氣味發生器、振動椅等，可以刺激用戶視覺、聽覺等多個感官系統。Sensorama是一個虛擬現實下的原型機，只能播放事先拍好的視頻，用戶只能被動的接受，缺乏人機之間的互動。后來，虛擬現實經歷了幾十年的蟄伏期，雖然陸續有些改進的產品誕生，但是，人們對于這類產品并沒有明確清晰的定義。1989年，美國的Jaron Lanier首次提出了虛擬現實的概念，并隨后他所在的VPL公司開發出傳感手套“DataGloves”和頭顯設備“EyePhoncs”，才讓虛擬現實作為一個較為完整的體系被人們極大關注，隨后，虛擬現實便進入了高速發展的時期。

圖1 Sensorama仿真模擬器

進入20世紀90年代，虛擬現實逐步開始走向成熟，在隨后的10多年里，日本的任天堂公司推出“虛擬男孩”虛擬現實游戲，其他公司也紛紛效仿開發關于虛擬現實的產品，但由于高昂的售價和簡陋的性能，為之付錢的人少之又少，所以這些產品讓虛擬現實一直流離在大眾視野之外，未能掀起大的波瀾。2012年，Oculus公司在Kickstarter網站上籌得250萬美元，并隨后的幾年里不斷推出虛擬現實設備，同時也將虛擬現實設備的價錢降到了300美元，這讓很多人有能力購買，虛擬現實設備逐漸進入大眾視野。2014年，谷歌公司發布 Google CardBoard，三星發布了GearVR，另外，蘋果、索尼等也相繼發布了虛擬現實設備。這時的虛擬現實已經成功走向了商業化，越來越多的人也意識到它的廣闊前景，虛擬現實向不同行業、領域滲透。

3 虛擬現實的應用

隨著虛擬現實不斷的普及，其應用也逐步地涉及各個行業、領域中。在教育中，教育者利用諸如虛擬實驗室、虛擬課堂等虛擬現實系統提供給受教育者一個更加直觀、能呈現多維信息的教學模式；在建筑行業中，虛擬現實被大量應用在建筑設計的階段，將復雜的建筑圖紙以一種直觀形式呈現，設計者還可以和虛擬建筑進行諸如行走、操作設備、改變裝飾等交互，讓設計者更加容易發現設計中的不足；在軍事領域中，虛擬現實被廣泛運用尤其是軍事訓練等方面，其優勢在于它可以有效地規避軍事訓練中伴隨的危險，并且虛擬軍事演習也可以減少真實演習所帶來的軍費開支。由于虛擬現實應用的領域過于繁多，以下只對虛擬維修訓練這一包含教育、軍事、航天等多個領域的虛擬現實應用作詳細闡述。

虛擬維修訓練是虛擬現實應用重要的應用領域，最早由美國在20世紀90年代提出，隨后得到快速發展，許多國家的軍方、科研機構和企業都高度重視，將其視為作為大型、復雜、先進裝備的維修保障手段進行研究。基于虛擬現實，搭建以計算機及相應的軟硬設備為交互平臺，并以維修訓練為目的的虛擬維修訓練系統，可以為部隊裝備提供一個“實地的”“實時的”“實裝的”新興訓練手段。由于這項技術是開放的，開發人員可以根據具體訓練要求實時調整虛擬維修方案或者內容，這也就意味著它可以不斷地更新，以長期發展的角度來看，具有極大的經濟效益和良好的實時性。

基于上述優勢和應用前景，虛擬維修技術在航空航天、大型武器裝備上的研究和應用較多。20世紀90年代初，美國天文學家發現哈勃望遠鏡的光學系統存在問題，其生成的圖像有變形的缺陷。由于問題的特殊性，操作人員無法直接在現實情況下進行維修訓練，美國航天局（NASA）決定采用新型維修訓練方式，如圖2所示。

圖2 哈勃望遠鏡（HST）的修復與維護

通過虛擬仿真哈勃望遠鏡在太空中的運行環境，宇航員可以像在真實的太空里一樣，對哈勃望遠鏡實裝模型進行維修，熟悉操作流程，學習應對各種可能的突發狀況，完成各種模擬的維修任務。從1993年9月到1993年12月，有100多名宇航員參加了哈勃望遠鏡的維修任務訓練，取得了巨大成功。這一任務的完成，說明虛擬維修訓練對裝備維修任務的完成是非常有效的，讓各國看到了虛擬維修技術在高、新、尖裝備上的運用，促使各國加大對虛擬維修訓練系統的研究，使得該技術在航天航空、艦船、車輛等設備上有運用。

美國、德國、日本諸多大學和研究所，先后在虛擬維修技術研究上投入大量人力、物力開展研究，許多相關技術及設備已趨近成熟。例如，美國弗吉尼亞大學針對機械維修零件拆卸問題進行了研究，引入蟻群算法、序列矩陣等方法進行機械零部件拆卸分解解算，優化計算機虛擬拆卸路徑，使得操作步驟最優、最少。日本的Osaka大學研究中心研究的機械裝配可視化技術，通過光學捕捉和視覺識別，可以在使用者進行機械裝配過程時，提供虛擬裝配過程，已進行裝配準確性比對，可用于機械裝配操作訓練和評價。在國內，虛擬維修技術的獨特優勢已引起政府部門、企業、高校的高度關注。許多高校已將相關內容納入教學課程，面向職業教育、醫療、車輛、船艇、飛機、武器裝備的各類使虛擬維修應用系統層出不窮。2013年開始，教育部在全國范圍內開展國家級虛擬仿真實驗教學中心和仿真實驗項目建設，已先后投入建設300余個國家級虛擬仿真實驗教學中心，各省教育廳也建設了一批省級虛擬仿真實驗教學中心，有效推動了虛擬維修技術在國內的發展和應用。

4 發展趨勢

近幾年，教育部提出實施一流課程建設“雙萬計劃”，即“金課建設”計劃，致力于建設五大類型“金課”，虛擬仿真技術就是其中一個重要類型，而作為虛擬仿真技術的重要分支，虛擬現實技術充分體現了“智能+教育”的新教育理念，勢必在未來的“金課”建設進程中起到舉足輕重的作用，也將成為“金課”建設的主流發展趨勢。