虛擬現實技術及其應用分析

王霏飏

虛擬現實（Virtual Reality,VR）技術是計算機仿真技術的一種，借助該技術可以讓用戶體驗虛擬的世界。虛擬現實技術可以生成一種模擬的環境，在該環境中用戶可以進行交互，如同身臨其境一般[1]。虛擬現實技術具有多感知性，即用戶不僅僅是視覺上的體驗，還有聽覺、觸覺、味覺、嗅覺感知等。虛擬現實技術讓用戶感到雖是虛擬環境卻有身臨其境之感，具有沉浸性。在虛擬的環境中，用戶可以自由操控物體并從環境獲得反饋，具有交互性。

一般認為虛擬現實技術發展分為4 個階段。1963 年以前是虛擬現實技術的萌芽階段。1935 年美國科幻小說家斯坦利·溫鮑姆構想了一種全方位沉浸式虛擬現實體驗。1962 年莫頓·海利希研究并發明了全傳感仿真器——Sensorama，該仿真器蘊含了一定的虛擬現實思想。1963—1972 年是虛擬現實技術初現階段。1968 年美國計算機科學家Ivan Sutherlan 發明了一個頭盔顯示器 HMD 及頭部位置跟蹤系統，該發明是虛擬現實技術發展的重要里程碑。1972—1963 年是虛擬現實技術發展的第三階段。在這一階段中M.MGreevy 領導完成的VIEW 系統，用戶可以穿戴特制的數據手套和頭部跟蹤器，從而實現語言、手勢等交互方式。第四階段是虛擬現實技術理論的完善和應用階段。2012 年Oculus 公司用眾籌的方式大幅降低了VR 設備的價格，這使得VR 向大眾走近了一步。另外在這一階段虛擬現實技術廣泛運用到了科研、航空、醫學、軍事等領域。

本文將對虛擬現實的實現原理及應用現狀進行介紹，以期為其未來發展提供參考。

1 虛擬現實系統

虛擬現實系統首先利用計算設備進行圖像渲染、邏輯運算，在GPU/CPU 硬件和虛擬現實軟件體系中實現應用圖形化輸出，顯示終端將輸出數據展示在用戶面前。此外還需要輔助設備對用戶進行位置鎖定、手勢判斷等，從而完成浸入式的體驗。

在一個VR 系統中，用戶一只眼睛看到的是偶數幀圖像，另一只眼睛看到的奇數幀圖像，由于奇數幀與偶數幀的不同產生了視差從而產生了立體感。利用追蹤頭部運動的設備改變用戶看到的景象，實現運動系統與視覺系統的結合。在人為創造的環境中，對于用戶來說，頭、眼的追蹤使用戶看到的景象由眼的方向確定。鼠標與鍵盤改變視覺場景不再適用，跟蹤頭部運動的虛擬現實頭套可以將用戶的視覺系統和運動感知系統聯系起來，通過頭部運動觀察環境。立體聲效果是靠左耳與右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來實現的，從而產生方向感。用戶通過聲音到達兩只耳朵的時間不同來確定聲源的方向。

用戶在虛擬環境中看到的物品如果設法觸摸有可能會穿過它的表面。為了解決這一現象，通常在數據手套內層安裝一些可以振動的觸點來使人體感受到觸覺。VR 系統中，為了使虛擬環境聽懂人的語言，需要借助語音識別與自然語言處理技術實現人機交互。

2 虛擬現實技術的應用現狀

2.1 醫學

在醫學方面，通過建立虛擬的人體模型，醫學生能夠清楚直觀地了解人體各器官的結構，比在參考書上查看和老師口述更加有效。在虛擬環境中，學生可以進行手術模擬，環境內有虛擬的手術臺與燈光以及手術用品和人體模型等。借助于HMD 和感覺手套設備，便可對人體模型進行模擬手術。在醫學院中學生可以在虛擬實驗室里進行尸體解剖實驗，在仿真效果極高的虛擬現實系統中，可以重復一些在現實中無法重復的操作，不受標本等因素的限制，實驗成本大大降低[2]。

2.2 教育

在教育領域，VR 可以應用在虛擬實訓基地[3]。根據教學內容的需求隨時生成新的設備與場景。由于虛擬現實具有沉浸式和人機交互性的特點，學生能全身心的投入到訓練中去。學生可以通過反復鍛煉技能直到掌握為止，如汽車駕駛的技能、作戰技能、儀器維修技能等。VR 還可以應用在虛擬校園，在虛擬環境中建立功能較完整的三維可視教室，作為遠程教育的平臺。與普通線上教育相比，虛擬現實技術營造的教室讓學生更能感到上課的嚴肅氣氛從而提高學生專心程度。專業駕駛模擬仿真系統VR—automoto trainer 模擬駕駛室座艙，配合多通道大型環幕立體投影系統和三維虛擬場景造就沉浸式模擬駕駛仿真系統。用戶操作模擬器和儀表系統與虛擬場景實行交互。系統可以用于專業駕駛訓練、科學研究、軍事訓練等領域。

2.3 娛樂

娛樂方面，游戲是虛擬現實技術重要的應用方向之一[4]。目前，虛擬現實技術在游戲市場越來越被重視。電子游戲從產生以來就一直向著三維游戲發展，未來的游戲將帶給用戶沉浸體驗，使其擁有身臨其境的逼真感。由VR 技術創造的虛擬環境能給用戶時光與空間的旅行體驗，過去人們的生活和暢想未來的世界都可以在虛擬環境中模擬出來，足不出戶就可以欣賞到青藏高原的茫茫雪山和夏威夷的海濱等美景。在博物館中一些不方便展出的收藏品可以利用虛擬現實技術展示給游客，以及給游客提供近距離觀賞文物的機會。虛擬現實技術在電影拍攝中也有應用。Condition one 電影作品——《零點》是首部通過使用虛擬現實技術拍攝的電影，觀影者需要通過虛擬現實頭盔顯示器來觀看電影，這樣觀影者能看到360 度畫面，比起3D 電影更有身臨其境的感受。

2.4 應急演練

傳統的應急預演需要大量的人力、物力、財力的投入，成本很高，而虛擬現實技術模擬的事故現場使用戶積極響應降低了資源的浪費，也不會造成人員受傷，能夠反復進行演練，從而提高用戶的災害應對能力。國內的世峰數字企業針對石油化工企業會面臨的突發事件自主開發了突發事件應急演練VR 系統，真實模擬災害現場，利用人機交互，讓參加演練的人員進行處置訓練，對仿真事故現場的動態變化進行分析與監控。系統對于人員培訓、突發事件的預警、應急管理指揮、應急響應、事故調查有重要作用。不僅提高企業應急響應能力，還減少了訓練的成本。

3 討論

虛擬現實是信息技術領域發展的重點，具有應用空間廣，多種技術協同，產業經濟潛力大的特點[5]。虛擬現實產業鏈主要為內容應用、終端器件、網絡平臺和內容生產，內容應用為主要增長點。在2019 年，VR/AR 頭顯設備出貨量相較2018 年有所回溫，并且市場規模持續擴大，中國國內市場超過500 億元，世界市場超過1 000 億元。

國產芯片雖起步較晚但近兩年發展迅速。網絡架構、算法創新等軟件方面都取得了一定進展。我國政府連續出臺了多項推動虛擬現實發展的政策，提升對該技術的支持力度，進入技術紅利釋放期。中央層面指出加大虛擬現實研發投入，地方政府層面根據自身情況制定地方產業政策。2018 年，工信部發布了《關于加快推進虛擬現實產業發展的指導意見》?！兑庖姟访鞔_到2020 年，我國將建設若干個產業技術創新中心，2025 年形成若干具有較強國際競爭力的骨干企業。

現階段，虛擬現實技術在發展過程中還面臨許多挑戰?，F有的技術還不能使用戶完全融入到虛擬環境中去，很多虛擬設備都需要通過電纜與計算機相連，大大限制了用戶的活動范圍。目前，虛擬現實設備多通過頭部來追蹤，缺少身體其他部位的追蹤，許多動作無法真正地在虛擬環境內模擬。虛擬現實場景中攝像機的使用中，鏡頭的移動帶來不同的焦點，會使用戶感到眩暈從而容易產生疲勞感。此外，大部分設備有些笨重，佩戴起來不自然。這些問題主要是技術方面，需要相關企業、研究機構加大研發力度，促進虛擬現實技術的發展。