虚拟现实技术的发展现状及在设计艺术中的应用愿景1

文/ 李 伟 成乔明 (南京航空航天大学 艺术学院)

虚拟现实技术的发展现状及在设计艺术中的应用愿景1

文/ 李 伟 成乔明 (南京航空航天大学 艺术学院)

DOl编码：10.3969/J.lSSN.1674-4187.2017.02.014

引言

虚拟现实技术并非近期出现的新技术，早在上个世纪六十年代，“虚拟现实”概念即被提出，并且已经有很多学者和研究机构对其展开研究，经过多年的研究，在理论和实践两方面也都取得一定的成果，但是，这些研究多面向航空、军事和医疗等特殊领域。因此，对于大多数人而言，在日常生活中根本没有机会接触到虚拟现实技术，所以，在过去的许多年，人们对虚拟现实的认知，基本停留于“虚拟现实技术是什么？”的层面。近几年，由于Microsoft 、HTC、google、Facebook等国外大公司竞相发布其基于虚拟现实技术的消费级产品，以及国内的阿里巴巴、腾讯、华为、小米等公司高调介入，在短时间内，虚拟现实如同一股浪潮铺天盖地的席卷全球，基于虚拟现实技术的各类产品也如雨后春笋般不断涌现，尤其在刚刚过去的2016年，被人们称为“VR元年”。那么，虚拟现实技术经过多年的沉寂，以及上世纪九十年代的昙花一现，目前究竟处于什么发展水平？是否已经成熟？未来是否真的已经到来？本文将结合虚拟现实技术最新发展动态，对其发展现状进行梳理，对发展中存在的问题进行理性分析，并对其在设计艺术中的相关应用进行展望。

一、虚拟现实技术发展现状

虚拟现实技术（Virtual Reality），简称VR，早在上个世纪六十年代，其概念已被提出。

在本质上具有三个基本共性特征：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination），也就是通常所称的“3I”特性。基本概念是利用计算机模拟一个具有三维特性的虚拟世界，并与使用者之间发生多感官、多通道的实时交互行为，使其获得类似真实物理世界中获得的自然的三维感受。

虚拟现实技术，经过多年的发展，现阶段出现三个不同的研究方向，即：VR（Virtual Reality） 虚 拟 现 实、AR（Augmented Reality）增强现实、MR（Mix Reality）混合现实。下面结合当下最新的发展动态，对其发展现状进行逐一梳理和分析：

1、VR技术：应用初级阶段

VR技术，在现阶段拥有较多的消费级产品，但在技术和产品应用领域都具有一定的局限性。其主要技术特征是运用计算机营造一个虚拟三维世界，并带给使用者视觉、听觉、触觉等感官的多通道交互体验，是对真实三维物理世界的种种体验的模拟。现阶段，该技术的发展与应用，仍处在一个初级阶段，VR技术的运行需要大量的外置设备支持，如：VR眼镜、数据手套等。而这些外设产品普遍体量大、价格高，并未到达广泛推广的阶段。现阶段，虚拟现实体验效果较好的产品，以HTC vive、Oculus、PS VR三类产品为代表，前两者需

要计算机端的设备支持，后者为一体机，这三家公司的研发，也都定位于游戏和影视，在应用范围方面存在一定的局限性。目前，VR技术，在其它领域也有少量应用，但是，多需要基于上述外置设备的二次开发，如，利用全景技术软件QuickTime VR 、虚拟现实建模语言VRML等来呈现三维图像，实现360°观察虚拟空间，并且进行三维空间内的各种仿真设计，然后通过VR眼镜和手持设备，实现漫游和简单的门窗开启等交互功能。其在本质上，是通过3D-max软件渲染出效果图，然后，通过拼图软件完成全景效果图。由于涉及软件的二次开发，在现阶段，基本由少部分专业人士掌握，实用性和普及性较弱。在2016年，国内多家地产公司，在样板间推广中已经使用HTC vive，既节约了样板间高昂装修费用，又带给消费者全新的感官体验（图1）。通过上述分析，现阶段VR技术应用现状和市场应用领域的表现，只能算是应用初级阶段。

2、AR技术：应用探索阶段

图1 HTC vive样板间

图2 Google Project Glass

图3 Wikitude SDK 6.0与智能设备

图4 Hololens开发者版

AR技术，现阶段仅有极少量的消费级产品，技术尚不成熟，产品也没有形成市场。AR技术，也被称之为增强现实技术，该技术的核心理念是将虚拟的信息叠加到真实世界中，让真实的环境和虚拟的信息实时叠加到同一个画面或空间内。它与VR技术有两个显著的区别：一是技术概念不同，它强调真实环境和虚拟信息的叠加；二是产品外在特征不同，它需要专门的图像采集装置（全景摄像头），用于实时采集真实环境的信息，并实时的进行叠加。

在谷歌、微软等科技巨头以及Magic Leap、Meta等创业公司的不断创新与推动下，AR技术已经取得了部分成果，并成为VR技术后的另一种将虚拟拉近现实的技术。现阶段，应用该技术的代表性产品主要有：Google Project Glass（谷歌眼镜）（图2）、Realmax的智能眼镜等，由于价格高、支撑软件少、实用性差等方面原因，很快就退出市场。所以，AR技术从研发到产品的转换，仍处于应用开发与探索阶段，已经推向市场的少量产品，也由于实用价值低，而很快退出市场。目前，也有一些公司，尝试开发一些低廉的、具有推广价值的软件，力图形成一定规模的消费市场。如：Wikitude SDK 6.0 的正式发布，通过其全新的3D SLAM引擎，可以使普通的智能设备搭载一个增强现实平台，使这些智能设备通过摄像头扫描，将现实空间“拉入”到智能设备内，然后，人们可以在被拉入的空间里摆放各种预设素材，并可以随意调节素材的位置、大小、颜色、款式等属性，而且，三维空间会随着手持设备的移动来改变观察视角（图3）。现阶段，诸如此类的AR初级阶段的成果应用很多，但是，实际应用价值极低，基本是对AR技术原理的探索性应用，没有到达量化生产的成熟阶段。

3、MR技术：研究阶段

混合现实技术，是由 “智能硬件之父”多伦多大学的SteveMann教授提出，是将真实世界和虚拟世界混合在一起，借助于全息影像创造一个新的可视化环境，环境中同时包含物理实体与虚拟信息，而且是实时的、可交互的。目前，从事该领域研究的公司，以微软和Magic Leap比较著名的，其中，微软的Hololens的开发者版（图4），已于2016年发布，目的是寻求更多的合作伙伴，开发更多的用途，并非针对普通的消费者，而Magic Leap至今没有推出过产品。另外，还有一些公司也在从事该领域的相关研究，如：2016年5月份成立的Hololamp公司推出的HoloLamp（图5），虽然通过投射出的扭曲图像实现了空间增强现实，但是，交互方式却不尽人意。即便是较为成熟的Hololens，也存在视域窄、续航能力差、图像质量差等缺陷，因此，现阶段基于MR技术的应用产品，多是对MR技术的探索与研究。

4、三者之间关系及现阶段存在问题

在本质方面，三者没有区别。它们都是应用计算机等技术，让人们在虚拟的空间中获得更多、更真实的类似真实物理世界的体验，目的在于打破时间、空间的障碍，在虚拟和现实之间架起一座桥梁。虚拟现实技术（VR）、增强现实技术（AR）、混合现实技术（MR），代表虚拟现实技术的三个不同的发展方向。在发展进程方面，三者呈现出递进的趋势。其中，对于虚拟现实技术（VR）的研究起步较早，但是，其所构建的场景和人物是完全虚拟的，也就是假的，与现实世界之间没有任何关联与互动。因此，为了能够把虚拟的信息带入到现实世界中，就出现了增强现实技术（AR），这样使用者所观察到的就是虚拟与现实的叠加，即一部分是真的、一部分是假的。后期，为了取得增强的VR沉浸感和增强的AR真实空间的互动感，出现了MR混合现实技术，而且在成像介质方面也有了质的变化，全息成像技术的应用，使其脱离传统的屏幕成像（VR眼镜是缩小的屏幕）。在发展趋势方面，三种虚拟现实技术，将依据不同的定位朝不同的方向并行发展，满足不同的市场需求，其中VR技术已经进入应用初级阶段，其它两种技术仍然处于研究阶段。

图5 HoloLamp

总体看，虚拟现实技术的发展，现阶段仍有许多技术难题急待解决，还没有进入成熟期，只是与上世纪九十年代相比较，在理论研究和技术开发两方面都有了质的飞跃。近几年，虚拟现实热潮的出现，是由于信息技术和计算机技术的迅猛发展，为其提供了坚实的后盾，让人们预感到了成功的可能，再一次激发各大研究机构和科技巨头的热情，也让敏锐的商家和企业嗅到了广阔市场的前景，遂投入大量的人力、物力、财力，便引发了近几年的虚拟现实热潮。然而，从技术成熟到产品的转化和满足市场的丰富需求，不是凭热情就能实现的，必须依靠理性思考和深入的研究，才能解决现阶段存在的一些难题。

在当下，虚拟现实技术从研究、探索到成熟、应用过程中，存在的问题和难题集中表现为以下几个方面：首先，技术欠成熟、艺术性较弱。虚拟现实技术在实时交互中，会产生大量的数据，现阶段的网络速度和硬件运算速度还无法满足。因此，一些虚拟现实作品，为了实现流畅的实时交互，必须牺牲一定的艺术效果，导致许多虚拟现实作品的视听感受较为生硬，虚拟场景、物体的视觉效果缺乏逼真感和美感，虚拟场景中物体的光线、色彩乃至整体的视觉氛围真实性较差，与现实世界的真实体验存在较大的差距。其次，硬件适配急待提高。这也是现阶段虚拟现实技术无法普及的主要原因，尤其对计算机图形处理器的高品质要求，比如HTC vive眼镜就对计算机的显卡有专门要求，普通用户的家用计算机很难满足其运行需求，使其推广普及受到了限制。最后，内容缺乏。现阶段虽然有虚拟现实产品陆续发布，但是，相配套的内容却十分匮乏，缺少优质、新颖、逼真、符合用户需求的虚拟现实内容，这也是影响其应用推广的最大掣肘。所以，在2016年，微软在推出Hololens时，也只是谨慎的发布了开发者版，目的就在于寻求合作伙伴，解决产品内容匮乏的问题。

所以，通过上述分析，对虚拟现实技术发展的实际水平和存在的问题，有了较为全面、清晰的认识。目前，虚拟现实技术的发展水平，只能算是 “起步阶段”，尚处在基础设备建设时期，即硬件平台建设阶段，并非媒体炒作的那样“未来已经到来”，其技术走向成熟和形成产业化，还需要经过一段时期的发展。

二、虚拟现实技术在设计领域的应用愿景

技术与艺术的关系，对于人们而言，早已是耳熟能详的一对关系，二者相辅相成、共同发展。而设计艺术的特征，表现为文化、艺术和技术的综合载体，这使技术进步对其产生的影响和推动作用也远远胜于其它艺术门类。最具代表性的案例，就是上个世纪八十年代，计算机技术的快速发展在设计艺术领域所引发的一次革命，使设计师们告别了传统的笔、绘图纸、绘图板、尺子和颜料盒，取而代之的是计算机和各种高效、精确的绘图软件；同时，也创造了丰富多彩的数字化艺术语言，推动了设计艺术的跨时代发展，设计师们从此步入无纸化时代。当下虚拟现实技术的发展，虽然处于初级阶段，但是，其对虚拟世界与现实世界之间界限的颠覆，引发设计师们的普遍关注。而虚拟现实产品带来的全新体验及各大公司对未来产品的渲染，更让他们对其在设计艺术领域的应用满怀憧憬，坚信不久的将来，虚拟现实技术与设计艺术的融合，将引发设计艺术领域的另一次革命。

人类总是喜欢通过科幻小说、电影来表达对未来的美好期望。历史也一再证明，正是由于那些曾经的梦想，让愿景不断成为现实，使生活变得更美好。为此，在对当下虚拟现实技术理性分析的基础之上，我们借助虚拟现实技术的相关宣传片，畅想虚拟现实技术与设计艺术融合后的愿景：

愿景一：跨越虚拟和现实的之间界限

虚拟现实技术的沉浸性、想象性和互动性的重要特征改变了我们常规对虚拟世界与现实世界之间界限的划分，使虚拟的设计方案与真实的世界产生联系，这样，设计师的想法就可以更接近真实。那么，在未来的设计应用中，就将会出现下面的景象。在三维空间设计领域（室内、建筑、产品设计等），设计师在推敲设计方案时，空间装饰风格、材料的选择与搭配，都将实时立体的呈现在空间环境中。在二维设计艺术领域，设计师也可以将二维平面设计作品（站牌广告、楼体广告等），在其所应用的空间位置进行实时显示，推敲其与应用环境和场所之间的相互关系，并直观的进行颜色、图形的调整。通过这种实时的可视化设计，使虚拟的设计作品和现实环境相融合的可视化形式呈现，有效避免传统设计过程中从方案到作品时产生的不必要的偏差（图6）。

愿景二：跨越专业和业余的之间界限

在传统设计交流过程中，设计师与客户进行交流时，由于对方缺少专业知识，往往对平面图、立面图、结构图等抽象的专业图纸无法识读，交流过程中，设计师不可避免的花费大量口舌用于解释图纸，而且，用口述语言去解释图纸语言，在其转换过程中，会出现偏差和遗漏，造成信息交流的不完整。而虚拟现实技术的应用，就可以用栩栩如生的虚拟的三维空间，让客户身临其境的感受空间的位置、比例和尺度，也可以用唾手可得的虚拟的产品造型，让其客户体验功能与形态的变化，有效克服了设计师和普通客户之间存在的专业水平差异，让他们之间沟通变得更为顺畅，而缺乏专业知识的普通客户，再也不用担心最终的设计图纸不是自己想要的效果。因此，虚拟现实技术将大大提高设计信息交换的完整性（图7）。

图6 虚拟现实技术应用于三维产品设计

图7 用于客户直观交流

图8 虚拟三维建筑模型设计

图9 虚拟现实技术虚拟成像

愿景三：跨越二维和三维的界限

传统的设计流程，首选通过电脑完成相关造型的二维图纸绘制，再依据精确的尺寸建立虚拟模型，并在屏幕的二维界面上，对模型进行形式、形态的推敲，最后，再通过静态渲染，完成设计效果图的制作。静态渲染技术，在本地渲染一张效果图就需要几小时，高精度的图纸将会耗时1-2天，加上后期处理，单张图纸需用时4-5天的时间。而一个设计方案的最终确定，设计师需将平面图和效果图和客户进行多次沟通，并经过数次从二维到三维的重复修改，耗费大量的人力、物力，整个设计流程要经过一个漫长的周期。而虚拟现实技术的全息成像及实时三维渲染功能，可以让设计师在设计创建阶段和工程图绘制阶段，直接在现实世界生成虚拟的产品模型，同步观察虚拟的产品模型和构造，多维度观察和检测设计中存在的问题与不足，并进行实时的调整和修改。而在方案修改过程中，设计师也可以和客户一起，对着虚拟现实模型，共同讨论和修改设计方案，实时渲染技术将立刻呈现修改后的三维效果，大大提高双方之间的沟通效率，原本要花费几周才能完成的事情，几个小时就可以完成，可谓事半功倍（图8）。

愿景四：跨越时间和空间的界限

艺术设计是一个创意、创新的过程，从灵感到设计方案，再从方案到产品的物化，期间需要大量的信息交流与沟通，既有设计师团队成员间的交流，也有设计师与客户间的交流，整个沟通过程都无法回避图形语言，而图形语言的呈现，就必须依赖一定的呈现介质或载体。在经历了上个世纪计算机技术的革命，设计师已经摆脱了对传统纸张和绘图工具的依赖，只需共同面对计算机呈现的图形、图像，就可以完成彼此间的交流，较之早期的纸媒时代，工作便利性与效率性都有了质的提升，但是，依然无法摆脱对计算机屏幕和其它二维成像介质的依赖，无法实现随时、随地的交流。而虚拟成像技术，将突破传统成像介质的局限性，将现实环境中有二维特性的任何物体，作为虚拟环境的呈现媒介，桌面不再是只用于摆放物品，瞬间变成触摸屏幕；墙面也不再是仅仅用于分隔空间，同样也是显示图形、图像的交互屏幕。尤其虚拟现实技术中的全息成像技术，将彻底摆脱对有形物体的依赖，以空气为成像介质，设计师可在任何时间、任何地点，便利的打开图像进行交流，真正实现跨越时间、空间界限的随时、随地的工作（图9）。

结语

本文透过2016 年“VR 元年” 热闹非凡的表象，以客观的态度梳理其发展历程，并对其发展现状进行理性分析，目的在于全面、透彻的理解虚拟现实技术，更重要的是展望其在设计艺术领域将会产生的重要影响。我们坚信，随着计算机技术的不断进步和研究人员的不懈努力，在不久的将来，虚拟现实技术在改变我们认识世界、观察世界方式的同时，也必将在设计艺术领域引发设计理念、设计方法的革命。这才是本文的写作的意义。

（责任编辑 姥海永）

[1]黄海.虚拟现实技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2014.

[2]黄厚石，孙海燕. 设计原理[M].南京：东南大学出版社，2005

[3]李四达.数字媒体艺术概论（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2012.

[4]陈怀友，张天驰，张菁.虚拟现实技术[M].北京：清华大学出版社，2012.

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The Present Situation and Application Vision of Virtual Reality Technology in Art Design

本文对现阶段虚拟现实技术的发展现状进行客观、理性的分析，探讨其现阶段存在的问题，进而对其在设计艺术领域的相关应用进行展望。

This article gives an objective and rational analysis on current status development of Virtual Reality technology, discusses the problems existed currently and then looks forward to its future applications in art design feld.

虚拟现实技术；发展现状；设计艺术；应用愿景

Virtual reality; Development situation; Design art; Application prospects

李 伟，南京航空航天大学艺术学院副教授，研究方向：环境艺术设计。

成乔明，南京航空航天大学艺术学院副教授，研究方向：设计管理。

1本文系作者主持的2012年度教育部人文社会科学研究规划基金（项目编号：12YJA760033）、2014年国家留学基金资助项目（CSC：201406830048）阶段性成果之一，本文为2014年度江苏省社会科学基金（项目编号：14YSB007）、2016年度江苏省社会科学基金（项目编号：16YSB014）的阶段性成果之一。