虛擬現(xiàn)實在多領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用

黃憬彤

摘要

近年來，隨著智能技術(shù)以及消費級GPU的出現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)在汽車、電子、醫(yī)療、煙草等領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用。對于普通民眾，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的了解可能僅限于概念或表層含義，因此本文簡要分析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展歷程和關(guān)鍵技術(shù)，著重論述了該技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域、教育領(lǐng)域、汽車輔助駕駛領(lǐng)域中的應(yīng)用，期望能夠讓讀者對虛擬現(xiàn)實技術(shù)有一個直觀、具體的認識，從而推動該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實 發(fā)展 虛擬現(xiàn)實應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是一種利用計算機產(chǎn)生多種輸出信號來模仿真實的三維現(xiàn)實的技術(shù)，利用了計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)以及屏顯技術(shù)等，使得用戶可以與虛擬環(huán)境中的對象進行交互，從而產(chǎn)生身臨其境的感受。

VR技術(shù)早在1960年就開始萌芽，1980至1990年代，NASA推出了實驗性的VR初級設(shè)備，主要用于軍事領(lǐng)域以及航空領(lǐng)域。2014年以來，由于相關(guān)電子芯片的價格下降，消費級GPU使得圖形渲染能力的增強，VR技術(shù)逐漸被應(yīng)用到了民用領(lǐng)域。作為一種先進的信號傳遞方式，VR具有沉浸感，交互性以及想象力的特征，可以讓用戶在一個模擬出來的環(huán)境中得到接近真實的環(huán)境反饋，被認為是下一代人機交互的關(guān)鍵技術(shù)。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品構(gòu)成

VR技術(shù)的關(guān)鍵主要包括VR渲染技術(shù)，VR屏顯技術(shù)以及VR定位技術(shù)。在GPU的出現(xiàn)后，VR渲染的算力得到了極大的提升，但是仍然存在著價格較高等問題。當(dāng)前該方面的研究集中在降低對硬件資源的消耗上，研究人員提出針對不同區(qū)域進行具有差別的渲染方法，相關(guān)代表技術(shù)為多重分辨率著色渲染技術(shù)以及焦點渲染技術(shù)。VR屏顯技術(shù)目前還有較大的提升空間，目前主流的顯示屏幕主要有LCD顯示屏以及OLED顯示屏，其中LCD顯示屏有著較為嚴(yán)重的余暉現(xiàn)象，OLED顯示屏中每個像素間存在分割網(wǎng)絡(luò)的問題。VR定位技術(shù)主要可分為激光SLAM以及視覺SLAM，其中激光SLAM具有較為完善的技術(shù)，但是設(shè)備成本較高，應(yīng)用場合不夠廣泛。當(dāng)前發(fā)展較快的是視覺SLAM的方法，根據(jù)攝像設(shè)備的不同，主要方法包括單目攝像頭，雙目攝像頭，深度攝像頭等。

VR產(chǎn)品的組成包括計算核心，交互終端以及輔助設(shè)備這3個部分。VR產(chǎn)品的計算核心用來實現(xiàn)VR應(yīng)用的圖形渲染、數(shù)據(jù)的處理以及儲存、邏輯運算等。計算核心的硬件通常包括CPU和GPU，軟件主要是實現(xiàn)渲染算法的程序和數(shù)據(jù)庫程序。交互終端實現(xiàn)和用戶的交互，其輸出圖形的設(shè)備通常是眼鏡模式或者是頭盔模式，包括顯示屏幕，光學(xué)鏡片以及陀螺儀等。輔助設(shè)備實現(xiàn)對用戶的定位，同時通常會為其增加動作捕捉的設(shè)備，從而實現(xiàn)對用戶輸入邏輯的判斷。

2 VR技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

在建筑領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實在建筑設(shè)計環(huán)節(jié)具有獨特的優(yōu)勢。在建筑設(shè)計中，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以將設(shè)計人員的構(gòu)思實時形象的展示出來。與傳統(tǒng)的展示方法的區(qū)別是，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以提供更具有真實感的三維圖形，還可以提供聲音，氣味，觸覺等多種信息，方便設(shè)計人員工作。此外，通過全方位的展現(xiàn)設(shè)計成果，能夠使得評審專家以及客戶對設(shè)計有更真實的感受，從而提出更具體的，更有針對性的意見。因此，采用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的建筑設(shè)計工作可以更容易得到高質(zhì)量的成果，減少設(shè)計者的工作強度，提升工作效率，減少設(shè)計周期，提升客戶滿意度。

在建筑施工中，虛擬現(xiàn)實也有重要的作用?，F(xiàn)代建筑是在三維空間中進行的復(fù)雜操作，傳統(tǒng)的基于2D的CAD對此類復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)力比較差。而采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)后，可以在在3維空間中對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進行動態(tài)的，分層的表現(xiàn)，方便施工人員理解施工計劃。如果遇到了某一個工程具有多種施工方案，可以采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合計算機輔助設(shè)計可以對施工方案建模，從而進行評估，通過這種方式，能夠?qū)σ幌虏淮_定的因素進行事先的估計，對其影響可以進行預(yù)判，從而為整個項目找到最優(yōu)的方案，避免工程失敗的經(jīng)濟損失。

在建筑裝修領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實可以發(fā)揮非常大的作用，相比通常的利用多種平面圖展示設(shè)計效果，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的展示方式更全面和主動。通過將房間進行建模，可以方便設(shè)計人員在裝修空間內(nèi)進行布置，同時客戶可以實時看到設(shè)計效果，快速的對設(shè)計給予反饋。這種工作方式可以加快設(shè)計，加強設(shè)計人員與用戶的溝通。此外，通過對組件建模，可以得到更精準(zhǔn)的費用估計，使得設(shè)計時更好的平衡設(shè)計效果與費用?？傊捎锰摂M現(xiàn)實之后，設(shè)計人員與客戶之間的關(guān)系從之前的靜態(tài)的關(guān)系變?yōu)榱丝梢詫崟r反饋的動態(tài)的關(guān)系。

3 VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

在教育領(lǐng)域中，長期以來的教學(xué)是通過文字和聲音信號進行的。在演示文稿等廣泛使用之后，知識的傳遞遷移到了圖形和視頻信號。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)可以通過視覺，聽覺，觸覺等多種通道進行信號的傳遞。通過這種方式，可以增強老師授課的表現(xiàn)力，避免因為概念復(fù)雜導(dǎo)致的學(xué)生難以理解的情況，同時多種感官同時進行信息接受可以促使學(xué)生集中精神，使得記憶更持久。在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，學(xué)生門可以在沉浸的環(huán)境下進行學(xué)習(xí)，能夠在老師設(shè)置的逼真的知識情景中更好理解知識。

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對傳統(tǒng)的實驗方式進行補充，針對危險性較高的實驗，需要復(fù)雜實驗裝置的實驗，花費經(jīng)費或者時間較長的實驗等，傳統(tǒng)的實驗方式難以解決學(xué)生對相關(guān)實驗操作的問題，而模擬實驗盡管可以模擬部分實驗步驟和實驗現(xiàn)象，但是缺乏沉浸感，實驗效果較差。虛擬現(xiàn)實技術(shù)為此提供了較好的解決方案，在虛擬現(xiàn)實的環(huán)境中，學(xué)生們可以在安全的情況下模擬危險的實驗操作，每一個操作所得到的反饋都和真實的實驗環(huán)境相同。利用虛擬現(xiàn)實環(huán)境，學(xué)生們可以多次重復(fù)在真實實驗環(huán)境中無法進行的操作，快速完成真實環(huán)境中需要長時間才能成功的實驗。通過虛擬現(xiàn)實環(huán)境，學(xué)生們可以將精力集中與課程核心的概念以及操作中，避免將精力分散在實驗準(zhǔn)備等瑣碎的事情中。

總之，虛擬現(xiàn)實技術(shù)有利于學(xué)生更好的吸收知識，提升學(xué)生們對知識的興趣，訓(xùn)練學(xué)生們的想象力。通過在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中添加多種虛擬的激勵機制，學(xué)生們可以更好的集中精神，更好的與老師交流，完成課程目標(biāo)。虛擬現(xiàn)實與教學(xué)的結(jié)合同時不受限于時間與地點，通過將課堂布置到網(wǎng)絡(luò)上，可以使得全世界的學(xué)生享受到成本低廉的生動形象的課程。

4 無人駕駛地鐵中的應(yīng)用

當(dāng)前地鐵發(fā)展的主流趨勢是無人化，針對無人地鐵，其設(shè)計，運營，維護等多種方面都依賴于虛擬現(xiàn)實技術(shù)。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以突破物理資源環(huán)境的限制，避免繁瑣的設(shè)計步驟，降低工程的時間成本。

在設(shè)計無人駕駛地鐵的過程中，如果采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對硬件設(shè)施進行建模，可以使得設(shè)計人員對列車應(yīng)用的場景有一個更全面的認識，通過將場景與地鐵設(shè)計進行融合，設(shè)計人員可以動態(tài)的了解自己的設(shè)計在虛擬環(huán)境中的運行情況，觀察到車輛在行駛過程中的各個部位以及各個重點結(jié)構(gòu)，從而有針對性的研究運行過程中受力較大，變形較大的危險截面的動力學(xué)性能。利用列車虛擬設(shè)計，可以樣機驗證前發(fā)現(xiàn)盡可能多的設(shè)計缺陷，從而避免傳統(tǒng)設(shè)計步驟中長時間的代價昂貴的物理樣機實驗。

無人駕駛列車作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其裝配過程非常復(fù)雜，傳統(tǒng)的裝配方式需要裝配人員花費較多的時間進行學(xué)習(xí)和演練，而實驗平臺的搭建需要較大的前期投資，且物理平臺訓(xùn)練速度較慢。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使得工作人員在一個接近真實的環(huán)境中進行裝配，從而檢查各個零部件之間的配合程度，還可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)對員工進行培訓(xùn)，實時評價裝配效果，提高裝配人員的能力，避免傳統(tǒng)的現(xiàn)場裝配訓(xùn)練所占用的大量硬件資源。

無人駕駛列車的測試在傳統(tǒng)的工程實踐中需要消耗大量的時間，但是測試效果并不明顯，難以檢查出所有的風(fēng)險。如果采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行虛擬驗證，就可以壓縮驗證所需要的時間，利用多次驗證來覆蓋更多的測試條件，發(fā)現(xiàn)更多的問題。此外，引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)后，可以對測試中的列車的運行狀態(tài)，各個部件實時狀況進行觀察，找出容易出現(xiàn)問題的薄弱環(huán)節(jié)，降低了真實運行的風(fēng)險，也可以在實際運行時有針對性的提出針對易發(fā)生問題的預(yù)案，方便工作人員在遇到突發(fā)狀況后能夠快速進行處理。

維護環(huán)節(jié)是無人列車整個生命周期中重要的一環(huán)，他可以保證列車平穩(wěn)安全的運行。大城市中無人駕駛地鐵的任務(wù)非常繁重，其保養(yǎng)時間較短，這就要求進行保養(yǎng)工作的人員具有大量的經(jīng)驗，有熟練的操作技能。如果引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，一方面，維修人員可以在虛擬環(huán)境中進行訓(xùn)練，另一方面，一旦列車發(fā)生故障，維修人員通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以快速判斷故障位置。

5 虛擬現(xiàn)實在石油領(lǐng)域的應(yīng)用

石油領(lǐng)域作為一種資金，技術(shù)，勞動力密集型的產(chǎn)業(yè)，引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)后，可以充分節(jié)省資金，加快前期準(zhǔn)備工作，節(jié)省時間。通過對地層資料進行模擬與展示，工程人員不再需要面對枯燥的單維數(shù)據(jù)，只需戴上頭盔和數(shù)據(jù)手套，面對地下構(gòu)造或圈閉的三維透視圖像，用數(shù)據(jù)手套操縱虛擬對象，選擇不同的方向和路線進入到構(gòu)造或圈閉內(nèi)部做深入的“游覽”。在鉆井軌跡設(shè)計及油井規(guī)劃中引入虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，可以實時進行鉆井勘探分析、鉆井設(shè)計、鉆井軌跡跟蹤，鉆井人員可以簡單、直觀地瀏覽和查詢，快速識別鉆井問題，及時做出更好的決策。在石油勘探及開采過程中，如果引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)將石油勘測的探測數(shù)據(jù)，石油開采的操作及工藝流程以三維可視化的圖像形式表現(xiàn)出來，更加直觀和立體的展示信息，為分析和決策提供便捷。此外，還可以在石油化工工藝模擬中使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將石油煉制等工藝進行三維虛擬可視化展示，如石油油水分離技術(shù)三維互動虛擬演示等多種化工工藝流程虛擬演示，有利于優(yōu)化石油加工流程。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以根據(jù)客戶需求，制定專業(yè)的石油裝備操作培訓(xùn)系統(tǒng)，完全真實的模擬石油裝備的操作流程和使用方法，更好的培訓(xùn)技術(shù)工人。還可以針對石油石化行業(yè)在運行操作過程中存在的高危高難度的，對員工的技術(shù)要求和熟練程度有很高要求的工程為員工提供虛擬培訓(xùn)環(huán)境，適應(yīng)各類平臺作業(yè)。

參考文獻

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