虚拟现实在智能家居的应用现状及未来探析

高健权，方新国*

（1.佛山科学技术学院机电工程学院，广东佛山528000；2.佛山科学技术学院工业设计与陶瓷艺术学院，广东佛山528000）

随着计算机技术、传感器技术、控制技术与网络技术等技术的飞跃发展，人们的生活越来越趋向于智能化、移动化。技术发展的同时给人类带来了更高档次的生活水平，人们对于生活环境的要求也在逐渐提升。智能家居是一种通过智能化系统，能够使家居产品有机地联结起来，从而让人们生活更舒适、更环保、更安全与便捷，它的出现是当代人类生活水平提升的体现，符合当下人们对高层次生活水平的需求。而虚拟现实（Virtual Reality，VR）也是近年来人们比较关注的一个热点，它以计算机技术为核心，生成与一定范围真实环境在视、听、触等方面高度近似的数字化环境，从而让人们产生身临其境的感受［1］，它在当代游戏、教育等领域的介入正发挥着革命性的作用。未来虚拟现实与智能家居都将成为人们日常生活的一部分，而如何很好地把虚拟现实技术融入智能家居领域，发掘两者的互连价值，从而革新人类未来的生活方式，成为当代具有重要意义的探讨问题。

计算机技术与嵌入式技术的发展，给虚拟现实和智能家居产品带来了发展的契机，虚拟现实和智能家居也逐渐成为时下科学人员研究的热点。虚拟现实作为一种技术手段在如今多个行业都有应用的案例，而在智能家居行业中如何将虚拟现实技术引入，并与智能家居有效结合产生良好的应用方案，是当下值得深入研究的课题。

1 虚拟现实与智能家居的基本概念

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，VR）又称灵境技术或人工环境，是近年来人们关注的热点之一。它是通过计算机技术、传感技术、交互技术、显示技术等综合集成，模拟产生一个逼真的数字化三维环境，用户可以通过特定的技术设备，感受三维虚拟环境所带来的视觉、听觉、触觉和嗅觉等不同感知，并和虚拟环境物体进行实时的交互，以达到身临其境的体验。如今虚拟现实技术在房地产、娱乐游戏、航空航天等领域都有着广泛的应用。它的出现是人类在探索自然、认识自然发展过程中产生的，是人类认识自然、模拟自然的科学方法与技术。

1.2 增强现实技术

增强现实技术（Augment reality，AR）是在虚拟现实技术的基础上发展起来的一种新兴技术，是虚拟现实领域的一种。虚拟现实是完全的计算机生成的虚拟假象，而增强现实技术原理是致力于将计算机生成的物体叠加到现实景物上［2］，并通过光学透视式头盔显示器或手机、平板等配有各种成像元件的设备进行显示，用户可以与设备中的虚拟物体进行实时地交互。增强现实技术在产品设计、机械装配、教育和娱乐等领域有着广泛的应用，它的出现正逐渐革新着人类传统的交互方式。

1.3 智能家居

智能家居是以住宅为平台，通过网络通信技术、自动控制技术、综合布线技术等多种技术的综合集成，将家居生活有关的设备产品关联起来，同时构建可集中管理、智能控制的综合管控系统，它能让人们在户外或室内查看家居信息或控制家居相关的设备［3］。它的出现使人类家居生活变得更舒适、更安全、更环保、更便捷。随着物联网全面铺开之际，智能家居将得到更飞速的发展，作为一种近年来才兴起的改变人类生活的全新技术，它在未来发展过程中将会面临巨大的挑战，而虚拟现实越来越成熟的技术将会为智能家居发展路上提供不容小觑的帮助。

2 虚拟现实与智能家居的结合

2.1 虚拟现实技术在智能家居的应用

2.1.1 VR设备成为智能家居的一部分

智能家居是物联网时代的产物，未来也是物联网万物互联的时代，VR设备作为一种智能产品同样在未来将和其他家电设备进行连接互联［3］。例如：在你佩戴VR设备进行操作的同时，家里的其他设备产品也会对你的动作甚至习惯等进行感知，从而为你提供智能服务，这也是未来智能家居生活的一部分。与此同时，为了满足虚拟现实多感知的体验，日益增多的VR感知设备如：Kinect、FeelReal、Virtualizer等为家里的智能娱乐系统产生更多的内容和娱乐形式，智能和娱乐相得益彰，因此虚拟现实将给智能家居生活添加更多精彩的内容。

2.1.2 虚拟现实技术为智能家居提供三维场景漫游体验

智能家居是目前众多技术结合下的新型居住理念，然而智能家居在面向市场终端普及过程比较困难，通过智能家居具体实物来展示功能成本较高，传统的二维设计理念也已经满足不了消费者的需求［4］，因此许多消费者对智能家居产品缺乏体验，限制了用户的选择权，从而阻碍了智能家居市场的推广。而虚拟现实为智能家居提供了很好的解决方案，利用虚拟现实的三维展示技术与智能家居结合，对智能家居现实场景的每个模块进行仿真。例如：通过模拟智能家居环境，用户能通过操控虚拟人或以第一人称视角进行智能家居仿真环境的漫游，并与虚拟智能家居场景实时交互［5］，以了解熟悉智能家居的概念和功能，从而刺激消费者对智能家居设备的消费。因此，虚拟现实技术为智能家居市场的推广起了重要作用。

除此之外，虚拟现实技术对于智能家居的定制服务也提供了很大帮助。例如：在智能家居设计搭配阶段，利用虚拟现实技术搭建一个以用户为中心的个性化智能家居设计方案，并创建相应的数据模型模拟智能家居产品的服务配置与功能［6］，甚至是模拟设计智能家居的网络布线工程布局，通过虚拟场景的搭建，用户就可以把脑海中构想的方案展示出来，并与虚拟场景进行身临其境的漫游，从而在方案实施前进行评价分析，提高了定制方案的可靠性［6］。通过虚拟现实技术的辅助，消费者就可以个性化定制自己所需要的智能家居产品，能够很好地进行购买前的虚拟体验，也减少了实施阶段所带来的风险。

2.1.3 虚拟现实技术为智能家居系统提供友好的界面交互方式

智能家居系统可以对人们的住宅实现智能化的控制与管理，它将智能家居产品的用电设施进行集成，使智能家居产品能在同一个操作平台上进行手动的无线或互联网操控。然而传统的智能家居控制平台交互界面方式通常为二维平面按钮操作，不符合人们的交互习惯。把虚拟现实技术引入智能家居控制界面中，运用虚拟现实技术为智能家居的交互方式进行优化，对现实的智能家居场景进行模拟仿真，并以三维数字化场景呈现在用户的平台界面上，这种设计有效地把握了人机工程要素，把用户体验作为设计的核心［7］，对于某件家居产品的仿真操作，再到家居环境的逆向反馈，都能够让用户体验到现实家居更为可靠的控制感受，使智能家居系统界面更加贴合用户的使用。

2.2 增强现实技术在智能家居的应用

2.2.1 AR设备革新智能家居交互方式

对于智能家居产品的集成操控，期待着能有一个万能遥控器能控制家里的一切设备。而AR设备作为智能家居的操作平台可辨别家居的各类设备，并与各种设备树立物联［8］，用户只需佩戴AR设备可以通过手势的非接触操作或其他更自然的交互方式，就能控制现实生活中的所有智能家居产品。对于这样的操作，如谷歌的Google Glass和微软的Hololens都处于研究阶段，并发布了相关的AR设备和应用方案。日本的村田制作所推出的原型智能眼镜“Cool Design Smart Glass”，利用微型PS（Micro Position Sensor）传感器集成在眼镜镜架上，传感器在基于微红外激光测距的方法下，能自动检测家居产品正确位置，结合AR交互控制技术后，用户只需戴上AR眼镜，将视线瞄准想要控制的智能家居产品，并通过与显示在眼镜上的UI界面进行交互，这种交互方式无需动手只需要设备对眼睛视线的追踪，就可以控制产品的各项功能。这种全新的交互方式完全取代了传统的各种控制器，提供了更自然的交互方式［9］。

2.2.2 增强现实技术为智能家居产品带来信息可视化

增强现实技术是一种将虚拟信息叠加在现实环境中，通过计算机把虚实信息融为一体的视觉技术。将增强现实技术应用于智能家居领域，可以通过虚拟的智能家居设计方案（如智能家居电网的三维设计布局、智能家居产品）叠加在真实环境中并直观和自然地呈现在用户眼前，供用户评价或测试，这样既节省了实物展示的成本，也减少了设计方案过程所耗费的时间［10］，最重要是比传统的定制方法提高了可靠性、减少了过程风险。同时，智能家居相关的数据信息呈现也是智能家居提供智能生活的重要元素之一。例如：对于智能家居产品的使用方式、功能，甚至是智能家居产品的二氧化碳排放量和能源消耗等与智能家居生活关联的数据信息通过增强现实技术，以可视化的图像或文字呈现在接收数据信息的终端设备屏幕上［11］，用户只需利用移动设备完成对智能家居产品的追踪和识别即可。智能家居的可视化信息对于未来智慧生活是非常有必要的，因此它对未来人类步入绿色生活和提高家居生活质量都具有重要价值与意义。

3 虚拟现实在智能家居应用未来展望

虚拟现实技术的发展大大加速了人机互动技术的发展，它为人类“走进”虚拟世界提供了可能。智能家居的主要目标是使住户在家居生活中更舒适、更安全、更方便，从根本上改善人类的家居生活。通过科学技术的快速发展，可以想象未来的VR或AR交互设备、体感设备等技术设备的不断延伸，以及智能家居智能方案的不断推陈出新，虚拟现实与智能家居的结合应用也将逐渐演变。对于未来发展趋势，主要体现在如下几个方面。

3.1 智能化语音与虚拟现实结合应用

未来人类与智能家居的交互方式将逐渐趋向于更简单、更方便。如果将VR、AR设备与智能家居、语音识别技术结合应用，可以很好地实现这个目标。智能化语音这种减少手部动作且更自然的交互方式，将用户对智能家居的控制动作改变为语音控制，通过语音识别技术转化为智能家居所能识别的信息，然后利用计算机图形处理技术和人工智能技术进行评价和反馈，将处理后的信息传达到各种VR或AR设备的显示屏幕上。而人工智能技术是其中面临的最大挑战。但众观目前人工智能技术的发展趋势，在未来智能家居和虚拟现实的结合应用中，良好的人工智能系统将对减少乏味的人工交互和劳动提供非常积极的作用。

3.2 感知性虚拟现实技术与智能家居结合

在目前智能家居领域中，研究者对技术层面考虑更多的是硬件环境，而忽略了软件的环境和用户的内在需求。传统的智能家居往往是人去适应智能家居，而未来智能家居的发展方向将会是家居产品适应人。从用户交互上来解释，带感知性和情感化的虚拟人在未来智能家居中具有重要的意义。未来不但是人类具有情感表达，智能家居设备也将具有情感的维度。而这种情感交互的实现可以通过智能家居中虚拟人的形象进行语音和视觉的交流，这种交流方式也将通过VR或AR设备作为载体进行呈现。因此，虚拟现实技术将会为未来智能家居用户提供虚拟管家服务。

3.3 虚拟现实技术将在大范围的智能家居领域中应用

就目前虚拟现实应用在智能家居的现状来看，虚拟现实技术应用在智能家居的解决方案中主要针对的是住宅型的智能家居用户。以楼宇型、健康型、安全型等其他与家居领域密切相关范围的虚拟现实解决方案却很少，虚拟现实为更大范围的家居领域提供解决方案将会是未来智能家居发展的趋势。以住宅级到楼宇级、以楼宇级到小区级、以小区级到城市级，虚拟现实技术所带来的多感知性、便捷交互方式都将在家居领域发挥十分重要的作用。而三维虚拟现实技术以其实现庞大数据的有效管理和高度沉浸感的三维虚拟环境是对智能家居的应用核心。相信虚拟现实技术独特的优势特长将会为未来智能家居领域提供范围更广泛的应用发展。

4 小结

虚拟现实和智能家居都是一个具有巨大发展潜力以及广阔发展前景的技术。智能家居的主要目标是使用户的家居生活更便捷、更人性化、更舒适，满足用户对期望生活的需求。而虚拟现实技术的优势在于它可以被用在人类很难进入、但是人类智能又可以到达的虚拟环境中，所以它在智能家居领域的应用将会使人类智能家居生活方式变得科学化、合理化。但就目前应用现状来看，虚拟现实作为一种新兴的技术，被某些行业领域为了夺人眼球，利用高科技装腔作势，所面临的虚拟现实技术“硬用”问题，是未来所要思考的重要问题。因此，把虚拟现实技术对智能家居的应用发挥好，将为人类的智慧生活带来全新的面貌。

［1］赵沁平.虚拟现实综述［J］.中国科学（F辑：信息科学）,2009（1）:2-46.

［2］朱淼良,姚远,蒋云良.增强现实综述［J］.中国图象图形学报,2004（7）:3-10.

［3］科技最前端.VR 与智能家居结合的可能性［EB/OL］.（2016-05-03）［2017-08-05］.https://baijia.baidu.com/s?old_id=435 661.

［4］徐佳.智能家居虚拟仿真系统的设计与实现［D］.南昌:南昌航空大学,2015.

［5］王亚瑞.基于Unity3D的物联网演示系统的设计与实现［D］.成都:电子科技大学,2016.

［6］LERTLAKKHANAKUL J,JIN W C,MI Y K.Building data model and simulation platform for spatial interaction management in smart home［J］.Automation in Construction,2008,17（8）:948-957.

［7］田静.虚拟现实方法在智能家居控制场景中的应用研究［D］.天津:河北工业大学,2014.

［8］力扑智能家居.AR 和智能家居,将会带给我们如何的生活［EB/OL］.（2017-04-11）［2017-08-05］.http://mt.sohu.com/20170411/n487685910.shtml.

［9］RAY.用 AR 控制智能家居村田展示 PS交互技术［EB/OL］.（2015-10-14）［2017-08-06］.http://www.smarthey.com/home/index/detail/id/1558.html.

［10］CECCACCI S,GERMANI M,MENGONI M.A Method to Design a Smart Home Interface ［C］//Smart Product Engineering.Berlin:Springer,2013:915-925.

［11］ITO K,OHKURA M.Experimental Study on Display of Energy-Related Information in Smart Homes Using Virtual Reality［C］//Distributed,Ambient,and Pervasive Interactions.Berlin:Springer,2013:294-301.