虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用分析

王霏飏

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality,VR）技術(shù)是計算機(jī)仿真技術(shù)的一種，借助該技術(shù)可以讓用戶體驗虛擬的世界。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以生成一種模擬的環(huán)境，在該環(huán)境中用戶可以進(jìn)行交互，如同身臨其境一般[1]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實技術(shù)讓用戶感到雖是虛擬環(huán)境卻有身臨其境之感，具有沉浸性。在虛擬的環(huán)境中，用戶可以自由操控物體并從環(huán)境獲得反饋，具有交互性。

一般認(rèn)為虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展分為4 個階段。1963 年以前是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的萌芽階段。1935 年美國科幻小說家斯坦利·溫鮑姆構(gòu)想了一種全方位沉浸式虛擬現(xiàn)實體驗。1962 年莫頓·海利希研究并發(fā)明了全傳感仿真器——Sensorama，該仿真器蘊(yùn)含了一定的虛擬現(xiàn)實思想。1963—1972 年是虛擬現(xiàn)實技術(shù)初現(xiàn)階段。1968 年美國計算機(jī)科學(xué)家Ivan Sutherlan 發(fā)明了一個頭盔顯示器 HMD 及頭部位置跟蹤系統(tǒng)，該發(fā)明是虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。1972—1963 年是虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的第三階段。在這一階段中M.MGreevy 領(lǐng)導(dǎo)完成的VIEW 系統(tǒng)，用戶可以穿戴特制的數(shù)據(jù)手套和頭部跟蹤器，從而實現(xiàn)語言、手勢等交互方式。第四階段是虛擬現(xiàn)實技術(shù)理論的完善和應(yīng)用階段。2012 年Oculus 公司用眾籌的方式大幅降低了VR 設(shè)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(xiàn)實技術(shù)廣泛運(yùn)用到了科研、航空、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。

本文將對虛擬現(xiàn)實的實現(xiàn)原理及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，以期為其未來發(fā)展提供參考。

1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)首先利用計算設(shè)備進(jìn)行圖像渲染、邏輯運(yùn)算，在GPU/CPU 硬件和虛擬現(xiàn)實軟件體系中實現(xiàn)應(yīng)用圖形化輸出，顯示終端將輸出數(shù)據(jù)展示在用戶面前。此外還需要輔助設(shè)備對用戶進(jìn)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(tǒng)中，用戶一只眼睛看到的是偶數(shù)幀圖像，另一只眼睛看到的奇數(shù)幀圖像，由于奇數(shù)幀與偶數(shù)幀的不同產(chǎn)生了視差從而產(chǎn)生了立體感。利用追蹤頭部運(yùn)動的設(shè)備改變用戶看到的景象，實現(xiàn)運(yùn)動系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)的結(jié)合。在人為創(chuàng)造的環(huán)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(biāo)與鍵盤改變視覺場景不再適用，跟蹤頭部運(yùn)動的虛擬現(xiàn)實頭套可以將用戶的視覺系統(tǒng)和運(yùn)動感知系統(tǒng)聯(lián)系起來，通過頭部運(yùn)動觀察環(huán)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(xiàn)的，從而產(chǎn)生方向感。用戶通過聲音到達(dá)兩只耳朵的時間不同來確定聲源的方向。

用戶在虛擬環(huán)境中看到的物品如果設(shè)法觸摸有可能會穿過它的表面。為了解決這一現(xiàn)象，通常在數(shù)據(jù)手套內(nèi)層安裝一些可以振動的觸點(diǎn)來使人體感受到觸覺。VR 系統(tǒng)中，為了使虛擬環(huán)境聽懂人的語言，需要借助語音識別與自然語言處理技術(shù)實現(xiàn)人機(jī)交互。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 醫(yī)學(xué)

在醫(yī)學(xué)方面，通過建立虛擬的人體模型，醫(yī)學(xué)生能夠清楚直觀地了解人體各器官的結(jié)構(gòu)，比在參考書上查看和老師口述更加有效。在虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以進(jìn)行手術(shù)模擬，環(huán)境內(nèi)有虛擬的手術(shù)臺與燈光以及手術(shù)用品和人體模型等。借助于HMD 和感覺手套設(shè)備，便可對人體模型進(jìn)行模擬手術(shù)。在醫(yī)學(xué)院中學(xué)生可以在虛擬實驗室里進(jìn)行尸體解剖實驗，在仿真效果極高的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，可以重復(fù)一些在現(xiàn)實中無法重復(fù)的操作，不受標(biāo)本等因素的限制，實驗成本大大降低[2]。

2.2 教育

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

2.3 娛樂

娛樂方面，游戲是虛擬現(xiàn)實技術(shù)重要的應(yīng)用方向之一[4]。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在游戲市場越來越被重視。電子游戲從產(chǎn)生以來就一直向著三維游戲發(fā)展，未來的游戲?qū)Ыo用戶沉浸體驗，使其擁有身臨其境的逼真感。由VR 技術(shù)創(chuàng)造的虛擬環(huán)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(huán)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(xiàn)實技術(shù)展示給游客，以及給游客提供近距離觀賞文物的機(jī)會。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電影拍攝中也有應(yīng)用。Condition one 電影作品——《零點(diǎn)》是首部通過使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)拍攝的電影，觀影者需要通過虛擬現(xiàn)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(yīng)急演練

傳統(tǒng)的應(yīng)急預(yù)演需要大量的人力、物力、財力的投入，成本很高，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬的事故現(xiàn)場使用戶積極響應(yīng)降低了資源的浪費(fèi)，也不會造成人員受傷，能夠反復(fù)進(jìn)行演練，從而提高用戶的災(zāi)害應(yīng)對能力。國內(nèi)的世峰數(shù)字企業(yè)針對石油化工企業(yè)會面臨的突發(fā)事件自主開發(fā)了突發(fā)事件應(yīng)急演練VR 系統(tǒng)，真實模擬災(zāi)害現(xiàn)場，利用人機(jī)交互，讓參加演練的人員進(jìn)行處置訓(xùn)練，對仿真事故現(xiàn)場的動態(tài)變化進(jìn)行分析與監(jiān)控。系統(tǒng)對于人員培訓(xùn)、突發(fā)事件的預(yù)警、應(yīng)急管理指揮、應(yīng)急響應(yīng)、事故調(diào)查有重要作用。不僅提高企業(yè)應(yīng)急響應(yīng)能力，還減少了訓(xùn)練的成本。

3 討論

虛擬現(xiàn)實是信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)，具有應(yīng)用空間廣，多種技術(shù)協(xié)同，產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)潛力大的特點(diǎn)[5]。虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)鏈主要為內(nèi)容應(yīng)用、終端器件、網(wǎng)絡(luò)平臺和內(nèi)容生產(chǎn)，內(nèi)容應(yīng)用為主要增長點(diǎn)。在2019 年，VR/AR 頭顯設(shè)備出貨量相較2018 年有所回溫，并且市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，中國國內(nèi)市場超過500 億元，世界市場超過1 000 億元。

國產(chǎn)芯片雖起步較晚但近兩年發(fā)展迅速。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、算法創(chuàng)新等軟件方面都取得了一定進(jìn)展。我國政府連續(xù)出臺了多項推動虛擬現(xiàn)實發(fā)展的政策，提升對該技術(shù)的支持力度，進(jìn)入技術(shù)紅利釋放期。中央層面指出加大虛擬現(xiàn)實研發(fā)投入，地方政府層面根據(jù)自身情況制定地方產(chǎn)業(yè)政策。2018 年，工信部發(fā)布了《關(guān)于加快推進(jìn)虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》?！兑庖姟访鞔_到2020 年，我國將建設(shè)若干個產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，2025 年形成若干具有較強(qiáng)國際競爭力的骨干企業(yè)。

現(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在發(fā)展過程中還面臨許多挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的技術(shù)還不能使用戶完全融入到虛擬環(huán)境中去，很多虛擬設(shè)備都需要通過電纜與計算機(jī)相連，大大限制了用戶的活動范圍。目前，虛擬現(xiàn)實設(shè)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(huán)境內(nèi)模擬。虛擬現(xiàn)實場景中攝像機(jī)的使用中，鏡頭的移動帶來不同的焦點(diǎn)，會使用戶感到眩暈從而容易產(chǎn)生疲勞感。此外，大部分設(shè)備有些笨重，佩戴起來不自然。這些問題主要是技術(shù)方面，需要相關(guān)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)加大研發(fā)力度，促進(jìn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展。