虚拟现实技术及其应用分析

王霏飏

虚拟现实（Virtual Reality,VR）技术是计算机仿真技术的一种，借助该技术可以让用户体验虚拟的世界。虚拟现实技术可以生成一种模拟的环境，在该环境中用户可以进行交互，如同身临其境一般[1]。虚拟现实技术具有多感知性，即用户不仅仅是视觉上的体验，还有听觉、触觉、味觉、嗅觉感知等。虚拟现实技术让用户感到虽是虚拟环境却有身临其境之感，具有沉浸性。在虚拟的环境中，用户可以自由操控物体并从环境获得反馈，具有交互性。

一般认为虚拟现实技术发展分为4 个阶段。1963 年以前是虚拟现实技术的萌芽阶段。1935 年美国科幻小说家斯坦利·温鲍姆构想了一种全方位沉浸式虚拟现实体验。1962 年莫顿·海利希研究并发明了全传感仿真器——Sensorama，该仿真器蕴含了一定的虚拟现实思想。1963—1972 年是虚拟现实技术初现阶段。1968 年美国计算机科学家Ivan Sutherlan 发明了一个头盔显示器 HMD 及头部位置跟踪系统，该发明是虚拟现实技术发展的重要里程碑。1972—1963 年是虚拟现实技术发展的第三阶段。在这一阶段中M.MGreevy 领导完成的VIEW 系统，用户可以穿戴特制的数据手套和头部跟踪器，从而实现语言、手势等交互方式。第四阶段是虚拟现实技术理论的完善和应用阶段。2012 年Oculus 公司用众筹的方式大幅降低了VR 设备的价格，这使得VR 向大众走近了一步。另外在这一阶段虚拟现实技术广泛运用到了科研、航空、医学、军事等领域。

本文将对虚拟现实的实现原理及应用现状进行介绍，以期为其未来发展提供参考。

1 虚拟现实系统

虚拟现实系统首先利用计算设备进行图像渲染、逻辑运算，在GPU/CPU 硬件和虚拟现实软件体系中实现应用图形化输出，显示终端将输出数据展示在用户面前。此外还需要辅助设备对用户进行位置锁定、手势判断等，从而完成浸入式的体验。

在一个VR 系统中，用户一只眼睛看到的是偶数帧图像，另一只眼睛看到的奇数帧图像，由于奇数帧与偶数帧的不同产生了视差从而产生了立体感。利用追踪头部运动的设备改变用户看到的景象，实现运动系统与视觉系统的结合。在人为创造的环境中，对于用户来说，头、眼的追踪使用户看到的景象由眼的方向确定。鼠标与键盘改变视觉场景不再适用，跟踪头部运动的虚拟现实头套可以将用户的视觉系统和运动感知系统联系起来，通过头部运动观察环境。立体声效果是靠左耳与右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的，从而产生方向感。用户通过声音到达两只耳朵的时间不同来确定声源的方向。

用户在虚拟环境中看到的物品如果设法触摸有可能会穿过它的表面。为了解决这一现象，通常在数据手套内层安装一些可以振动的触点来使人体感受到触觉。VR 系统中，为了使虚拟环境听懂人的语言，需要借助语音识别与自然语言处理技术实现人机交互。

2 虚拟现实技术的应用现状

2.1 医学

在医学方面，通过建立虚拟的人体模型，医学生能够清楚直观地了解人体各器官的结构，比在参考书上查看和老师口述更加有效。在虚拟环境中，学生可以进行手术模拟，环境内有虚拟的手术台与灯光以及手术用品和人体模型等。借助于HMD 和感觉手套设备，便可对人体模型进行模拟手术。在医学院中学生可以在虚拟实验室里进行尸体解剖实验，在仿真效果极高的虚拟现实系统中，可以重复一些在现实中无法重复的操作，不受标本等因素的限制，实验成本大大降低[2]。

2.2 教育

在教育领域，VR 可以应用在虚拟实训基地[3]。根据教学内容的需求随时生成新的设备与场景。由于虚拟现实具有沉浸式和人机交互性的特点，学生能全身心的投入到训练中去。学生可以通过反复锻炼技能直到掌握为止，如汽车驾驶的技能、作战技能、仪器维修技能等。VR 还可以应用在虚拟校园，在虚拟环境中建立功能较完整的三维可视教室，作为远程教育的平台。与普通线上教育相比，虚拟现实技术营造的教室让学生更能感到上课的严肃气氛从而提高学生专心程度。专业驾驶模拟仿真系统VR—automoto trainer 模拟驾驶室座舱，配合多通道大型环幕立体投影系统和三维虚拟场景造就沉浸式模拟驾驶仿真系统。用户操作模拟器和仪表系统与虚拟场景实行交互。系统可以用于专业驾驶训练、科学研究、军事训练等领域。

2.3 娱乐

娱乐方面，游戏是虚拟现实技术重要的应用方向之一[4]。目前，虚拟现实技术在游戏市场越来越被重视。电子游戏从产生以来就一直向着三维游戏发展，未来的游戏将带给用户沉浸体验，使其拥有身临其境的逼真感。由VR 技术创造的虚拟环境能给用户时光与空间的旅行体验，过去人们的生活和畅想未来的世界都可以在虚拟环境中模拟出来，足不出户就可以欣赏到青藏高原的茫茫雪山和夏威夷的海滨等美景。在博物馆中一些不方便展出的收藏品可以利用虚拟现实技术展示给游客，以及给游客提供近距离观赏文物的机会。虚拟现实技术在电影拍摄中也有应用。Condition one 电影作品——《零点》是首部通过使用虚拟现实技术拍摄的电影，观影者需要通过虚拟现实头盔显示器来观看电影，这样观影者能看到360 度画面，比起3D 电影更有身临其境的感受。

2.4 应急演练

传统的应急预演需要大量的人力、物力、财力的投入，成本很高，而虚拟现实技术模拟的事故现场使用户积极响应降低了资源的浪费，也不会造成人员受伤，能够反复进行演练，从而提高用户的灾害应对能力。国内的世峰数字企业针对石油化工企业会面临的突发事件自主开发了突发事件应急演练VR 系统，真实模拟灾害现场，利用人机交互，让参加演练的人员进行处置训练，对仿真事故现场的动态变化进行分析与监控。系统对于人员培训、突发事件的预警、应急管理指挥、应急响应、事故调查有重要作用。不仅提高企业应急响应能力，还减少了训练的成本。

3 讨论

虚拟现实是信息技术领域发展的重点，具有应用空间广，多种技术协同，产业经济潜力大的特点[5]。虚拟现实产业链主要为内容应用、终端器件、网络平台和内容生产，内容应用为主要增长点。在2019 年，VR/AR 头显设备出货量相较2018 年有所回温，并且市场规模持续扩大，中国国内市场超过500 亿元，世界市场超过1 000 亿元。

国产芯片虽起步较晚但近两年发展迅速。网络架构、算法创新等软件方面都取得了一定进展。我国政府连续出台了多项推动虚拟现实发展的政策，提升对该技术的支持力度，进入技术红利释放期。中央层面指出加大虚拟现实研发投入，地方政府层面根据自身情况制定地方产业政策。2018 年，工信部发布了《关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》。《意见》明确到2020 年，我国将建设若干个产业技术创新中心，2025 年形成若干具有较强国际竞争力的骨干企业。

现阶段，虚拟现实技术在发展过程中还面临许多挑战。现有的技术还不能使用户完全融入到虚拟环境中去，很多虚拟设备都需要通过电缆与计算机相连，大大限制了用户的活动范围。目前，虚拟现实设备多通过头部来追踪，缺少身体其他部位的追踪，许多动作无法真正地在虚拟环境内模拟。虚拟现实场景中摄像机的使用中，镜头的移动带来不同的焦点，会使用户感到眩晕从而容易产生疲劳感。此外，大部分设备有些笨重，佩戴起来不自然。这些问题主要是技术方面，需要相关企业、研究机构加大研发力度，促进虚拟现实技术的发展。