虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類及應(yīng)用

李 巍

（安陽(yáng)廣播電視臺(tái)，河南 安陽(yáng) 455000）

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）單從客觀學(xué)術(shù)表達(dá)的角度，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)指的不僅是計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)所生成的視覺(jué)，還有聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)，甚至于現(xiàn)在人們還在探索的味覺(jué)、嗅覺(jué)等，所以VR技術(shù)被稱為多感知，通過(guò)這些多方面多角度技術(shù)，讓虛擬現(xiàn)實(shí)使用者產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。

1 VR技術(shù)的要素和分類

VR技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種尖端技術(shù)相結(jié)合而成的，作為一門交叉技術(shù)，VR技術(shù)擁有一定的難度基礎(chǔ)，同時(shí)，VR技術(shù)又是一門極具有挑戰(zhàn)性的前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。1956年之后，隨著硬件設(shè)備的飛速發(fā)展，VR技術(shù)的理論也日趨完善。一般來(lái)說(shuō)，理解虛擬現(xiàn)實(shí)有4個(gè)關(guān)鍵要素：想象（Imagination）、交互（Interaction）、沉浸（Immersion）和行為（Behavior）。由于這4個(gè)關(guān)鍵要素中的前3個(gè)要素的英文字母都是以“I”為開(kāi)頭，后一個(gè)以“B”開(kāi)頭，所以業(yè)界又簡(jiǎn)稱為“3I+B”。

1.1 理解VR的4個(gè)要素

1.1.1 沉浸感

沉浸感就是指通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等使得用戶有身臨其境的感覺(jué)，來(lái)增加虛擬世界的真實(shí)性。因?yàn)橄鄬?duì)于理論的提出順序而言，沉浸感是后來(lái)加上去的，而同時(shí)沉浸感也成了區(qū)分，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備好壞和VR技術(shù)類型的一大重要依據(jù)，同時(shí)這也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)之一。

1.1.2 想象

想象主導(dǎo)著VR內(nèi)容甚至是VR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)摿?，想象是VR的虛擬世界比之其他技術(shù)最吸引人的地方，想象的高度決定著VR內(nèi)容以至于VR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展深度以及影響范圍，就拿計(jì)算機(jī)游戲舉例，數(shù)學(xué)家運(yùn)用“掃雷”這個(gè)游戲研究概率而普通人只是單純地用這個(gè)游戲來(lái)解悶。同時(shí)針對(duì)行業(yè)目前的情況，想象也是十分重要的。想象為精品內(nèi)容的出現(xiàn)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(tǒng)思維才是屬于未來(lái)的思考方式。

1.1.3 交互

交互是指計(jì)算機(jī)通過(guò)各種各樣的傳感器捕捉用戶的動(dòng)作等信息，同時(shí)經(jīng)過(guò)處理后與人能夠產(chǎn)生相互作用，包括對(duì)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(shí)時(shí)性對(duì)于硬件的要求頗高，由于人類自身的物理反應(yīng)，稍微的延遲就會(huì)嚴(yán)重影響體驗(yàn)。交互也使得VR不單單是簡(jiǎn)單的360度全景視頻，它拓寬了VR的領(lǐng)域與應(yīng)用范圍。簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的轉(zhuǎn)頭也是交互的一種，從簡(jiǎn)單的環(huán)形熒幕到“陀螺儀”，這里不得不談一個(gè)小小的例子：1968年受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，科學(xué)家Ivan Sutherland發(fā)明的VR頭戴設(shè)備“達(dá)摩克利斯之劍”是依靠懸掛在天花板上來(lái)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(chǔ)，行為是交互的表達(dá)方式。從硬件角度而言，單純只有頭戴顯示設(shè)備的時(shí)候，用戶的行為緊緊局限于視覺(jué)的相關(guān)方面，從目前來(lái)說(shuō)，要進(jìn)行更多的互動(dòng)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(yùn)動(dòng)傳感器甚至于VR座椅、VR跑步機(jī)等應(yīng)運(yùn)而生。

2 VR技術(shù)的主要類型

根據(jù)VR技術(shù)應(yīng)用在其他領(lǐng)域采用的不同形式和最直觀的沉浸度來(lái)區(qū)分，VR技術(shù)可以劃分為以下4類。

2.1 小型傳感器

簡(jiǎn)單的光線傳感器、距離傳感器等小型傳感器，抑或者只是計(jì)算機(jī)界面的模擬應(yīng)用。但是由于其造價(jià)低和門檻低的特點(diǎn)，這種類型的VR技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。

2.2 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)

比之桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)則提供更高層次的完全的沉浸式體驗(yàn)，使得用戶有一種置身于虛擬世界的感覺(jué)。幾乎所有沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的分類都是以頭盔顯示器為關(guān)鍵設(shè)備，當(dāng)然隨著科技的發(fā)展，業(yè)內(nèi)的趨勢(shì)是拋棄繁重的頭盔設(shè)備，轉(zhuǎn)而以眼鏡甚至是直接投影在眼球上來(lái)代替。

沉浸式頭盔是一種將使用者與真實(shí)環(huán)境隔離的先進(jìn)顯示裝置，它可以分別為左眼和右眼提供兩個(gè)既包含平行視差又獨(dú)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(duì)現(xiàn)實(shí)的分別模擬，就能夠產(chǎn)生一種極強(qiáng)的立體真實(shí)感。這種類型的VR技術(shù)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(shù)上做投資。

2.3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性虛擬現(xiàn)實(shí)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性虛擬現(xiàn)實(shí)，則是跳出了對(duì)現(xiàn)實(shí)的模擬和仿真，轉(zhuǎn)而要加強(qiáng)參與者對(duì)于真實(shí)世界的感受，也就是那些無(wú)法感知或者是不方便感知的事物。比如說(shuō)用戶去參加車展，帶上相關(guān)的設(shè)備后看車，車子的各類信息就會(huì)在設(shè)備上顯示出來(lái)，這樣用戶就不必再去詢問(wèn)抑或者查詢資料。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是VR技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)和最終形態(tài)，但是受限于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

2.4 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是前面3類的集合版本。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是指基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境，使得位于不同物理位置的多個(gè)虛擬環(huán)境或者多個(gè)用戶能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連接。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在分布式環(huán)境下有兩種原因：（1）基于計(jì)算機(jī)發(fā)展的強(qiáng)大的分布計(jì)算能力。（2）某些應(yīng)用本身就具有分布特性的需要，比如，各類網(wǎng)絡(luò)游戲或者假使分隔在兩地的人能夠通過(guò)VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)“面對(duì)面”的交流等。

3 VR技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用

VR技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用從產(chǎn)生之初就受到高度關(guān)注，特別是需要消耗大量人、財(cái)、物以及具有危險(xiǎn)性的應(yīng)用領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1 在工業(yè)上的應(yīng)用

VR技術(shù)使得現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)得以更進(jìn)一步，新的思路帶來(lái)了新的創(chuàng)新的可能，作為現(xiàn)代工業(yè)的核心環(huán)節(jié)，VR技術(shù)在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上代替了老一套的平面設(shè)計(jì)，使得二維平面設(shè)計(jì)上的束縛得以突破。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用計(jì)算機(jī)仿真、遙感等現(xiàn)代最新技術(shù)，將產(chǎn)品的質(zhì)量、性能等全面地展示在三維空間中。設(shè)計(jì)師可以在計(jì)算機(jī)的幫助下，更加直觀地觀察到產(chǎn)品成型的狀態(tài)，就能迅速地找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的不足并且更快地加以解決，這樣就可以縮短設(shè)計(jì)的周期，提高現(xiàn)代產(chǎn)品制造的效率，從而減少了研發(fā)成本，進(jìn)而提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。不僅如此，利用分布式類型的VR技術(shù)，顧客還可以率先在虛擬世界里使用虛擬的產(chǎn)品，降低了直接投入市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)，而且三維空間中產(chǎn)品能夠更好地體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)理念，表達(dá)出設(shè)計(jì)者正確的想法。

3.2 在教育上的應(yīng)用

VR教學(xué)是VR技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的一大重要目標(biāo)，因?yàn)椴徽撛谑裁辞闆r下，教育的重要屬性都不會(huì)減弱。比之于傳統(tǒng)的面授黑板教學(xué)或者多媒體教學(xué)，VR教學(xué)能夠更加吸引學(xué)生的興趣，虛擬交互使得教育從被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，對(duì)于知識(shí)的表達(dá)也更加的直觀。同時(shí)也為某些教學(xué)增加了安全系數(shù)，比如在化學(xué)的教學(xué)中，既可以利用VR技術(shù)在桌面上使得書本上的專業(yè)器具名詞更加的立體，又可以利用沉浸式設(shè)備模擬化學(xué)反應(yīng)的發(fā)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(yīng)用

利用VR技術(shù)搭建的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)，可以使得士兵能夠提前適應(yīng)將要作戰(zhàn)的環(huán)境并且在與實(shí)地環(huán)境極為接近的狀態(tài)下進(jìn)行戰(zhàn)斗的演練等工作，VR技術(shù)的發(fā)生地美國(guó)在這一點(diǎn)上走在了前列：當(dāng)年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，士兵們對(duì)于周遭的環(huán)境并不會(huì)感到異常陌生，因?yàn)樗麄冎霸谀M器中看到過(guò)、感受過(guò)不止一次這樣黃沙漫天的場(chǎng)景，畢竟在戰(zhàn)場(chǎng)上時(shí)間是最重要的，敵人無(wú)時(shí)無(wú)刻不對(duì)你進(jìn)行攻擊，你需要做的就是馬上解決眼前的問(wèn)題。

VR技術(shù)在軍事中除了在戰(zhàn)場(chǎng)上的應(yīng)用，還有在戰(zhàn)后士兵的心理修復(fù)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(xiàn)當(dāng)初戰(zhàn)場(chǎng)的圖像、聲音甚至于是氣味，士兵就能在專業(yè)醫(yī)生的監(jiān)控下重新面對(duì)他們體會(huì)他們所經(jīng)歷的一切，同時(shí)減輕了談話治療的負(fù)擔(dān)，成為醫(yī)者的全新的一項(xiàng)改善治療的選項(xiàng)。

3.4 在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

VR技術(shù)能很好地解決看病遠(yuǎn)、看病難的問(wèn)題，患者通過(guò)掃描自身的信息然后發(fā)送給醫(yī)生進(jìn)行診斷，或者通過(guò)之前設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些小疾病的自我檢查。傳感器對(duì)于身體的掃描而產(chǎn)生的信息匯總，會(huì)比病人自我描述顯得更加詳細(xì)，有利于縮短診斷的時(shí)間，提高疾病治療的成功率。在某些醫(yī)生不能到場(chǎng)的情況下，可以利用VR技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程醫(yī)療。例如醫(yī)院遠(yuǎn)程會(huì)議、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)合作手術(shù)等。在手術(shù)中，可以通過(guò)操縱手術(shù)機(jī)器人代替人手來(lái)完成一些高難度的動(dòng)作，甚至是進(jìn)入血管等體內(nèi)的微型機(jī)器人，進(jìn)行腫瘤的切除等外部很難完成的手術(shù)。

3.5 在游戲上的應(yīng)用

普通的游戲無(wú)論是2D抑或是3D都不會(huì)產(chǎn)生VR游戲這般真實(shí)的體驗(yàn)，同時(shí)由于游戲的普適性，VR技術(shù)在游戲上的應(yīng)用也是VR技術(shù)推廣的重要部分，拋棄了鼠標(biāo)和鍵盤的束縛，真正的以玩家為主角中心。VR技術(shù)幫助玩家“真實(shí)”實(shí)現(xiàn)了自己的夢(mèng)想，例如使命召喚的VR版本可以讓玩家體驗(yàn)真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)普通人的戰(zhàn)場(chǎng)夢(mèng)：STEAM的B. Braun Future Operating Room游戲讓玩家過(guò)了把醫(yī)生的癮。還有賽車、飛行等數(shù)不勝數(shù)。

3.6 在手機(jī)上的應(yīng)用

由于手機(jī)和周遭電子設(shè)備的智能化，VR技術(shù)與手機(jī)的結(jié)合可謂是相得益彰，在桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)方面，手機(jī)可以通過(guò)安裝APP來(lái)模擬各種控制器來(lái)達(dá)成例如空調(diào)溫度的控制，智能電視頻道換臺(tái)，窗簾的自動(dòng)開(kāi)關(guān)等，這也是最近各廠商樂(lè)忠的生態(tài)家居的概念。在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)方面，受限于設(shè)備成本，行業(yè)自己的發(fā)展衍生出了名為虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡和虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔的區(qū)別產(chǎn)品，就像手機(jī)行業(yè)的低端機(jī)和高端機(jī)的產(chǎn)品定位分布。除去配置和做工的差別，虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡是依靠鏡片為技術(shù)核心，借助智能手機(jī)來(lái)作為它的“主機(jī)”。由于所需的硬件在手機(jī)內(nèi)的高度集成，虛擬現(xiàn)實(shí)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(jī)推出的小米VR眼鏡，三星手機(jī)推出的Gear VR，暴風(fēng)影音的暴風(fēng)魔鏡等都屬于這個(gè)范疇。