VR技術(shù)分析與應用發(fā)展

劉文婭

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摘要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）是20世紀發(fā)展起來的一項全新的實用技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)囊括計算機圖形技術(shù)、人工智能、跟蹤技術(shù)、仿真技術(shù)等于一體，其基本實現(xiàn)方式是計算機模擬一個三維空間的虛擬環(huán)境，讓體驗者在聽覺視覺等多感知方面身臨其境，從而給體驗者帶來環(huán)境沉浸感。隨著社會科技的不斷進步，各行各業(yè)對VR技術(shù)的需求日益旺盛，可以說，21世紀是VR技術(shù)的年代。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;多感知;三維

中圖分類號：TP311? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0241-03

1 VR技術(shù)簡述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，使用戶沉浸到該環(huán)境中。虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是利用現(xiàn)實生活中的數(shù)據(jù)，通過計算機技術(shù)產(chǎn)生的電子信號，將其與各種輸出設備結(jié)合使其轉(zhuǎn)化為能夠讓人們感受到的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可以是現(xiàn)實中真真切切的物體，也可以是我們?nèi)庋鬯床坏降奈镔|(zhì)，通過三維模型表現(xiàn)出來。因為這些現(xiàn)象不是我們直接所能看到的，而是通過計算機技術(shù)模擬出來的現(xiàn)實中的世界，故稱為虛擬現(xiàn)實。

2 VR發(fā)展歷程

虛擬現(xiàn)實的發(fā)展歷程經(jīng)歷了四個階段：

1）第一階段（1963年以前）有聲形動態(tài)的模擬是蘊涵虛擬現(xiàn)實思想的階段。

1929年，Edward Link設計出用于訓練飛行員的模擬器;1956年，Morton Heilig開發(fā)出多通道仿真體驗系統(tǒng)Sensorama。

2）第二階段（1963—1972）虛擬現(xiàn)實萌芽階段。

1965年，Ivan Sutherland發(fā)表論文“UltimateDisplay”（終極的顯示）;1968年，Ivan Sutherland研制成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器（HMD）;1972年，NolanBushell開發(fā)出第一個交互式電子游戲Pong。

3）第三階段（1973—1989）虛擬現(xiàn)實概念的產(chǎn)生和理論初步形成階段。

1977年，Dan Sandin等研制出數(shù)據(jù)手套SayreGlove;1984年，NASA AMES研究中心開發(fā)出用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器;1984年，VPL公司的JaronLanier首次提出“虛擬現(xiàn)實”的概念;1987年，JimHumphries設計了雙目全方位監(jiān)視器（BOOM）的最早原型。

4）第四階段（1990年至今）虛擬現(xiàn)實理論進一步的完善和應用階段。

1990年，提出VR技術(shù)包括三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)和高分辨率顯示技術(shù);VPL公司開發(fā)出第一套傳感手套“DataGloves”，第一套HMD“EyePhoncs”;21世紀以來，VR技術(shù)高速發(fā)展，軟件開發(fā)系統(tǒng)不斷完善，有代表性的如MultiGen Vega、Open Scene Graph、Virtools等。

3 VR技術(shù)特征

三維動畫是以腳本的形式存在，沒有互動性，所有畫面都是由制作者設置好的，在影視行業(yè)和建筑廣告行業(yè)運用較多。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有多感知交互性，簡單說就像玩游戲一樣，電腦和你是可以互動的。虛擬現(xiàn)實技術(shù)現(xiàn)在在游戲里用得比較廣泛，其具有以下特征：

1）沉浸性

VR的沉浸感是指用戶感同身受作為主角存在于虛擬現(xiàn)實中的真實程度，這是VR技術(shù)最主要的特征。影像沉浸感的主要包括感知性、自主性、三維圖形中的深度信息、畫面的視野、實現(xiàn)跟蹤的時間或空間響應以及交互設備的約束程度等。

2）交互性

VR的交互性是指用戶對虛擬現(xiàn)實中對象的可操作程度和從虛擬現(xiàn)實中得到反饋的自然程度，包括實時性。主要借助于專用設備（如操作手柄、數(shù)據(jù)手套等）產(chǎn)生，以自然的方式，如手勢、身體姿勢、語言等技能，如同在真實世界中一樣操作虛擬現(xiàn)實中的對象。

3）多感知性

VR的多感知性表示計算機技術(shù)應該擁有很多感知方式，比如聽覺，觸覺、嗅覺等等。理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前大多數(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、觸覺、運動等幾種。

4）想象性

VR的想象力是指用戶在虛擬現(xiàn)實世界中根據(jù)所獲取的多種信息和自身在系統(tǒng)中的行為，通過邏輯判斷、推理和聯(lián)想等思維過程，隨著系統(tǒng)的運行狀態(tài)變化而對其未來進展進行想象的能力。對適當?shù)膽脤ο蠹由咸摂M現(xiàn)實的創(chuàng)意和想象力，可以提高生產(chǎn)效率、減輕勞動強度，提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量等。

4 VR關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供了一種先進的人機界面，通過為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等多種直觀而自然的實時感知交互的方法和手段，最大程度地方便了用戶的操作，從而減輕了用戶的負擔、提高了系統(tǒng)的工作效率。虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

1）自然交互

VR技術(shù)中強調(diào)自然交互性，即人處在虛擬世界中，與虛擬世界進行交互，甚至意識不到計算機的存在，即在計算機系統(tǒng)提供的虛擬現(xiàn)實空間中，人可以通過各種感覺方式直接發(fā)生交互，這就是虛擬環(huán)境下的自然交互技術(shù)。目前，與虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的其他技術(shù)相比，這種自然交互技術(shù)相對不太成熟。

2）高帶寬

現(xiàn)在計算機輸出的內(nèi)容已經(jīng)可以快速、連續(xù)地顯示彩色圖像，其信息量非常大。而人們的輸入?yún)s還是使用鍵盤一個又一個地敲擊，虛擬現(xiàn)實技術(shù)則可以利用語言、圖像及姿勢等的輸入和理解進行快速大批量的信息輸入。

3）智能化

精確化的交互是一種完全說明用戶交互目的的交互方式，鍵盤和鼠標均需要用戶的精確的輸入。但是，人們的動作或思維往往并不是很準確，而計算機應該理解人的要求，甚至于糾正人的錯誤，因此虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)智能化的界面將是一個重要的發(fā)展方向。

4）高度模擬仿真

通過交互作用表示事物的現(xiàn)實性，傳統(tǒng)的計算機應用方式中，人機交互的媒介是用符號表示，是對現(xiàn)實的抽象代替。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)則可以是模擬甚至想象和虛構(gòu)，他能使用戶感到不是在使用計算機，而是在直接與應用對象打交道。

5 VR技術(shù)應用

VR涉及學科眾多，應用領(lǐng)域廣泛，重點研究心理學、控制學、計算機圖形學、數(shù)據(jù)庫設計、實時分布系統(tǒng)、電子學和多媒體技術(shù)等多學科融合技術(shù)，研究醫(yī)學、娛樂、藝術(shù)與教育等多個相關(guān)領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實技術(shù)和系統(tǒng)。正是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了許多人的喜愛，在各行各業(yè)都得到了廣泛的應用。

1）在影視娛樂中的應用

近年來，由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在影視業(yè)的廣泛應用，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為主而建立的第一現(xiàn)場9DVR體驗館得以實現(xiàn)。第一現(xiàn)場9DVR體驗館自建成以來，在影視娛樂市場中的影響力非常大，此體驗館可以讓觀影者體會到置身于真實場景之中的感覺，讓體驗者沉浸在影片所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境之中。同時，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷創(chuàng)新，此技術(shù)在游戲領(lǐng)域也得到了快速發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用電腦產(chǎn)生的三維虛擬空間，而三維游戲剛好是建立在此技術(shù)之上的，三維游戲幾乎包含了虛擬現(xiàn)實的全部技術(shù)，使得游戲在保持實時性和交互性的同時，也大幅提升了游戲的真實感。

2）在教育中的應用

如今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)成為促進教育發(fā)展的一種新型教育手段。傳統(tǒng)的教育只是一味地給學生灌輸知識，而現(xiàn)在利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以幫助學生打造生動、逼真的學習環(huán)境，使學生通過真實感受來增強記憶，相比于被動性灌輸，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來進行自主學習更容易讓學生接受，這種方式更容易激發(fā)學生的學習興趣。此外，各大院校利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)還建立了與學科相關(guān)的虛擬實驗室來幫助學生更好的學習。

3）在設計領(lǐng)域的應用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在設計領(lǐng)域小有成就，例如室內(nèi)設計，人們可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)把室內(nèi)結(jié)構(gòu)、房屋外形通過虛擬技術(shù)表現(xiàn)出來，使之變成可以看得見的物體和環(huán)境。同時，在設計初期，設計師可以將自己的想法通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬出來，可以在虛擬環(huán)境中預先看到室內(nèi)的實際效果，這樣既節(jié)省了時間，又降低了成本。

4）在醫(yī)學方面的應用

醫(yī)學專家們利用計算機，在虛擬空間中模擬出人體組織和器官，讓學生在其中進行模擬操作，并且能讓學生感受到手術(shù)刀切入人體肌肉組織、觸碰到骨頭的感覺，使學生能夠更快地掌握手術(shù)要領(lǐng)。而且，主刀醫(yī)生們在手術(shù)前，也可以建立一個病人身體的虛擬模型，在虛擬空間中先進行一次手術(shù)預演，這樣能夠大大提高手術(shù)的成功率，讓更多的病人得以痊愈。

5）在軍事方面的應用

由于虛擬現(xiàn)實的立體感和真實感，在軍事方面，人們將地圖上的山川地貌、海洋湖泊等數(shù)據(jù)通過計算機進行編寫，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能將原本平面的地圖變成一幅三維立體的地形圖，再通過全息技術(shù)將其投影出來，這更有助于進行軍事演習等訓練，提高我國的綜合國力。

除此之外，現(xiàn)在的戰(zhàn)爭是信息化戰(zhàn)爭，戰(zhàn)爭機器都朝著自動化方向發(fā)展，無人機便是信息化戰(zhàn)爭的最典型產(chǎn)物。無人機由于它的自動化以及便利性深受各國喜愛，在戰(zhàn)士訓練期間，可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)去模擬無人機的飛行、射擊等工作模式。戰(zhàn)爭期間，軍人也可以通過眼鏡、頭盔等機器操控無人機進行偵察和暗殺任務，減小戰(zhàn)爭中軍人的傷亡率。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)能將無人機拍攝到的場景立體化，降低操作難度，提高偵查效率，所以無人機和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展刻不容緩。

6）在航空航天方面的應用

由于航空航天是一項耗資巨大，非常煩瑣的工程，所以，人們利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機的統(tǒng)計模擬，在虛擬空間中重現(xiàn)了現(xiàn)實中的航天飛機與飛行環(huán)境，使飛行員在虛擬空間中進行飛行訓練和實驗操作，極大地降低了實驗經(jīng)費和實驗的危險系數(shù)。

7）在手機行業(yè)的應用

國內(nèi)智能手機市場的競爭是最為激烈，廠商之間的無硝煙戰(zhàn)爭更是涉及多個領(lǐng)域戰(zhàn)況甚是慘烈?，F(xiàn)在這種較量已經(jīng)不局限于手機領(lǐng)域，已經(jīng)蔓延到了風頭正盛的VR行業(yè)。不少手機廠商早已紛紛布局了該領(lǐng)域，并先后推出了自家的VR頭顯設備。

6 VR技術(shù)局限

即使VR技術(shù)前景較為廣闊，但作為一項高速發(fā)展的科技技術(shù)，其自身的問題也隨之漸漸浮現(xiàn)，例如產(chǎn)品回報穩(wěn)定性的問題、用戶視覺體驗問題等。對于VR企業(yè)而言，如何突破目前VR發(fā)展的瓶頸，讓VR技術(shù)成為主流仍是他們所亟待解決的問題。

首先，部分用戶使用VR設備會帶來眩暈、嘔吐等不適之感，這也造成其體驗不佳的問題。部分原因來自清晰度的不足，而另一部分來自刷新率無法滿足要求。據(jù)研究顯示，14k以上的分辨率才能基本使大腦認同，但就目前來看，國內(nèi)所用的VR設備遠不及騙過大腦的要求。消費者的不舒適感可能產(chǎn)生的其對VR技術(shù)是否會對自身身體健康造成損害的擔憂，這必將影響VR技術(shù)未來的發(fā)展與普及。

VR體驗的高價位同樣是制約了其擴張的原因之一。在國內(nèi)市場中，VR眼鏡價位一般都在三千元以上。當然這并非是短時間內(nèi)可以解決的問題，用戶如果想體驗到高端的視覺享受，必然要為其內(nèi)部更高端的電腦支付高昂的價格。若想要使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到推廣，確保其內(nèi)容的產(chǎn)出和回報率的穩(wěn)定十分關(guān)鍵。其所涉及內(nèi)容的制作成本與體驗感決定了消費者接受VR設備的程度，而對于該高成本的內(nèi)容，其回報率難以預估。其中對VR原創(chuàng)內(nèi)容的創(chuàng)作無疑加大了其中的難度。

雖然目前VR技術(shù)的發(fā)展還不夠成熟，存在著許多爭議和技術(shù)局限性，但隨著時間的推移，這一切都會有所改觀。虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會成為一種重要的新媒介和新的平臺。

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