虚拟现实系统及其关键技术的研究进展

车敏 拓明福 柳泉

摘 要：文中首先介绍了虚拟现实的含义，陈述了虚拟现实的特征、基本结构及虚拟现实的关键技术，分析了虚拟现实应用和发展所面临的问题，对虚拟现实系统作全面解析。

关键词：虚拟现实；沉浸感；虚拟环境；交互性

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）04-00-02

0 引 言

易凯资本创始人王冉说：“如果说未来五到十年有什么东西能够像Uber颠覆全球出租车行业一样颠覆全球娱乐产业，我认为就是VR（虚拟现实）[1]。”

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触等一体化特定范围的虚拟环境（Virtual Environment，VE），用户通过输出设备以自然方式与虚拟环境中的对象进行交互作用，相互影响，从而产生身临其境的感受和体验。

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术产生于20世纪60年代，美国VPL公司拉尼尔（Joaron Lanier）于20世纪80年代提出了Virtual Reality一词。直到20世纪末，这项综合性信息技术才真正兴起[2]。由于其超仿真效果明显，VR技术被广泛应用于产品展示、工业制造、医疗教学、军事虚拟作战、教育培训等领域。

1 虚拟现实的主要特征

任何虚拟现实系统都可用3个“I”来描述其特征，即沉浸感（Immersion），交互性（Interaction）和想象力（Imagination）。

沉浸感指用户在模拟环境中所感受到的真实程度。由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者通过头盔显示器、数据手套或数据衣等交互设备，可将自己置身于虚拟环境中。使用者与虚拟环境中各种对象的相互作用如同在现实世界一般。当使用者移动头部时，虚拟环境中的图像也会实时跟随变化，物体可以随着手势移动而运动，使用者还可听到三维仿真声音。沉浸感是虚拟现实最终的实现目标，其他两者是实现这一目标的基础，三者之间是过程与结果的关系。

交互性指用户对模拟环境内物体的可操作性和从环境得到反馈的自然程度。构想性指虚拟环境使人沉浸其中并获取新知识，提高感性和理性认识，深化认知萌发新意。沉浸感与交互性是决定一个系统是否属于虚拟现实系统的关键特征。虚拟现实技术的特性如图1所示。

2 VR系统的基本结构

虚拟现实技术是融合计算机图形学、智能接口技术、传感器技术和网络通信等的综合性技术。虚拟现实系统应具备与用户交互、实时反映交互结果的功能。一般虚拟现实系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入输出设备和数据库组成，如图2所示。

专业图形处理计算机在系统中处于核心地位，是虚拟现实的引擎，主要负责从输入设备中读取数据、访问与任务相关的数据库，对任务要求进行实时计算，从而更新虚拟世界的状態，并且将结果反馈给输出设备等。虚拟世界是一个相对复杂的场景，系统很难预测所有用户的动作，也就很难在内存中存储所有相应的状态，因此，虚拟世界需要实时绘制和删除，大大增加了计算机的运算量，因此，对计算机的配置要求比较高。

应用软件系统是实现虚拟现实技术的关键，提供了工具包和场景图，主要用于建立和管理虚拟世界中对象的几何模型、物理模型、行为模型；三维立体声的生成、三维场景的实时绘制；虚拟世界数据库的建立和管理等。

数据库用来存放整个虚拟世界中所有对象模型的相关信息。虚拟世界中的场景需实时绘制，大量虚拟对象需保存、调用和更新，因此要求数据库对对象模型进行分类管理。

输入设备可检测用户的输入信号，通过传感器输入计算机。基于不同的功能和目的，输入设备除了传统的鼠标、键盘外，还包括用于手姿输入的数据手套、获取身体姿态的数据衣、语音交互麦克风等。

输出设备是对输入的反馈，由计算机生成的信息通过传感器传给输出设备。输出设备除屏幕外，还包括声音反馈的立体声耳机、力反馈的数据手套以及大屏幕立体现实系统。

3 VR的价值及应用

对于VR技术的价值评价，存在两种声音。有人认为虚拟现实所带来的沉浸感以及人机交互性，相比传统的人机界面体验更美好，使人更易沉浸在虚拟环境中，导致使用者难以区分虚拟与现实，易成瘾，形成心理问题。而有人认为虚拟现实技术具有成本低、安全性能高、形象逼真、可重复使用等特点，可为人类在某些领域的研究带来全新的体验，极大地影响着人们的生活、学习、工作。

在航空航天领域，采用VR技术可以最低成本模拟太空环境和太空舱，使航天员获得身临其境的感知。同时它还可通过软件参数设置，人为模拟生成一些突发事件改变环境，以此来训练航天员应对突发事件的能力。太空的失重感也可通过虚拟现实系统，借助一定的辅助设备使航天员完成体验。该技术在军事领域应用更为广泛。VR技术可以清晰地模拟战场的地形地貌，显示精确的经纬坐标，对军事指挥决策，如根据地形地貌合理分配作战人员、火力布局设置，有较好的指导作用。同时还能模拟军事训练和演习。传统军事训练演习成本高，安全性差，而采用VR技术可在实验室完成作战模拟。有助于高端设备的研制，如运20大飞机制作过程中就采用了VR技术。另在医学培训、教育、游戏产业方面，VR应用广泛。

4 目前VR发展所面临的问题[3]

尽管VR技术给人机交互带来了全新的体验。从上世纪80年代VR概念提出到现今VR技术的应用，这项技术并未真正走入我们的生活，而造成这样局面的原因如下[4]：

（1）目前VR产品存在性价比不高、舒适度较差等问题。当前VR产品主要分为3种，即基于手机的VR，VR一体机和基于PC机的VR。基于手机的VR价格相对低廉，属百元级，运算性能属于中等嵌入式等级，佩戴较重，VR体验一般。VR一体机价格属于千元级，运算性能属于中等嵌入式等级，佩戴沉重，VR体验一般；基于PC机的VR价格较贵，要求高配置的PC，运算性能较高，佩戴较轻，VR体验较好。由于技术和成本的限制，目前消费市场中尚未出现低价格、高性能的轻薄VR产品。