虚拟现实技术的发展与应用

王子腾

摘 要 虚拟现实技术是当代蓬勃发展的热门技术，其在各行各业所能创造的价值吸引着众多学者投身研究。文章将简单介绍虚拟现实的发展历史、技术原理以及在生活中的应用，并简要分析虚拟现实技术的未来发展空间。

关键词 虚拟现实；沉浸性；实时交互行；构想性

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）221-0159-02

幾个月前，一部名叫《头号玩家》的电影冲击了整个电影界。在电影中人们只要戴上一种头盔就能进入一个与混乱的现实世界形成鲜明反差的虚拟世界，并在这个虚拟世界中扮演各种各样的英雄，实现各种各样的梦想。电影中的这项神奇的技术正是这几年计算机界飞速发展的热门技术——虚拟现实技术。虚拟现实技术可以为人们提供非同寻常的趣味体验并在各行各业上发挥价值。

1 虚拟现实的概述

虚拟现实技术即VR又称灵境技术，人工环境，是一种用计算机模拟出一个虚拟的三维空间环境，使用户可以借助特殊的硬件软件来获得视觉、触觉、听觉等感官感受，且计算机能够感知用户的位置，动作等状态并作出回应，通过人机交互让用户获得一种真实感与身临其境的感觉。

1）虚拟现实的发展历史。我认为虚拟现实的发展可以被划分为几个阶段。

（1）第一阶段。首先是1968年前的科学幻想阶段，在这个阶段诞生了几位“科学幻想派”科学家，他们在纸上对虚拟现实技术作出了自己的设想，这些科学家幻想出的VR设备在外观上已经与今日的VR十分相似。（2）第二阶段。接着第二阶段1968年至1985年是VR的初步萌芽阶段[1]，在这个阶段中出现了VR的雏形，如“达摩克利斯之剑”，这款VR设备由于重量过重而不得不被悬吊在天花板上以减轻用户负载。（3）第三阶段。第三阶段1985年至20世纪末是VR的应用与发展阶段[2]，在这个阶段VR开始渗透到人们的生活之中，主要以游戏娱乐领域为主，但是由于其昂贵的售价、当时匮乏的软硬件资源、有限的技术过于超前的VR概念，VR设备并没有获得市场的认可，与此同时，美国航天局NASA已经将VR技术应用到了载人航天上，如图三所示，无论其命名、设计、还是用户体验都跟今天的VR类似。（4）第四阶段。最后一个阶段是21世纪初至今，进一步发展，出现了大批现代VR新技术理念与新设备，但VR的发展至今远未成熟，还有很长的一段路要走。

2）虚拟现实的特性。（1）沉浸性。与过去人们只能观测计算机的系统及处理结果不同，虚拟现实技术所模拟出的虚拟环境能为使用者带来真实的沉浸体验，使用户沉浸到整个系统中。（2）实时交互性。与过去人们只能使用单一的键盘、鼠标来与计算机交互不同，利用虚拟现实技术用户可以利用各种先进的传感器来获得与计算机更加生动直接的交互体验。（3）构想性。与过去人们通过计算机的定量计算来认识事物不同，虚拟现实技术能给用户提供一个全新的，构想性的虚拟环境来激发人们的灵感从而加深对事物的认识。

2 虚拟现实的有关技术

1）空间定位技术。由于用户在使用虚拟现实系统所佩戴的封闭式头戴显示器会被暂时隔断与外界环境的联系，用户的安全难以保障，一套成熟的空间定位方案不仅可以获取用户的实时位置以确保用户的安全，还可以获取用户的姿态来感知用户的行为并更好地提供反馈，所以空间定位技术对于虚拟现实系统是十分重要的。

（1）激光定位技术。激光定位技术的基本原理就是在房间内放置若干个激光发射器对定位空间内扫射激被定位的物体上安置了数个激光接收器，通过计算不同光线到达被定位物体的角度差从而获得物体的三维坐标。物体移动时通过三维坐标的变化来获知物体的运动信息。激光定位技术精度高，延迟极低，同时支持定位多个目标，但其价格昂贵且耐用性低。代表技术有HTC Vive的Lighthouse定位技术。（2）红外光学定位技术。红外光学定位技术分外被动式与主动式。被动式红外光学定位技术的基本原理是在房间内放置若干个红外摄像机，被定位物体表面覆盖有多个红外反射点，红外摄像机捕捉这些反射点后再经过后续计算，就能的知物体的运动姿态与空间位置。而主动式红外光学定位技术的基本原理是在被定位物体上放置可以发出红外线的红外灯。相对于被动式，主动式的造价要低廉得多，而其精度与寿命也较客观，非常适合推广。其缺点是受限于摄像头的可视角度，用户的活动范围与角度不能太大。使用此技术的代表产品有Oculus Rift。

2）实时三维计算机图形。三维计算机图形不难生成l，但VR所需三维计算机图形的高精度与实时性对我们来说是一项挑战。

3）立体显示技术。要想获得真实的沉浸感，立体显示是必不可少的。由于人的两只眼睛存在间距，其各自所获取的图像略有不同，经过大脑的融合，最终使看见的物体有空间立体感。VR中所用到的头盔显示器大多利用了此原理，使用两个显示器分别向两个眼睛提供具有微小差别的图像，经由大脑感知后获得立体图像。

3 虚拟现实的有关应用

1）教学。一个国家的教育水平直接影响着国家的综合实力，国家的发展离不开教育的发展。虚拟现实技术能为教育提供特定的虚拟环境，为学生带来沉浸式学习体验，能够集中学生的注意力，激发学生的学习兴趣与灵感。试想在未来的历史课堂上，学生能够借助VR技术脱离课本上枯燥的文字，进入虚拟世界亲身体验多年前发生的历史事件，这不仅能激发学生的学习兴趣，还有助于学生对历史事件的理解与记忆。

2）娱乐。娱乐是当今VR技术的主攻方向之一且已小有成效，其中以游戏娱乐为主。借助VR强大的模拟功能，用户可以亲身体验各种平时难以体验的项目——随时随地滑一场雪，体验一场枪林弹雨，或是去森林里冒一场险，坐一趟刺激的云霄飞车，又或是到海边散步，走访一下异国他乡VR强大的构想性几乎可以满足人们的任何体验需求。

3）建筑。在传统的建筑设计中，设计师们主要运用草图和语言文字来展现自己的观点，这不但需要大量的工作时间，还容易受到设计师表达能力的限制。但借助VR技术，使计算机生成三维空间建筑模型，设计人员只要戴上头戴式显示器就能进入正在设计的建筑内，预览建筑效果，多视角观测设计方案，对设计方案进行细微调整。这不但减轻了设计师作图修图的工作量，还能避免设计师过分依赖个人经验导致实际效果与方案预计产生较大差异。

4）军事。军事仿真训练是VR的重要研究领域之一。VR技术的发展给军事演习演练带来了革命性的发展。VR技术在实战上依然可以有所贡献。随着时代的发展，无人化与自动化越来越普及，未来的打击恐怖分子行动中，已经没有陆军上阵，取而代之的是远程操控机器人。驾驶员可以在几千里之外利用虚拟现实技术对其进行操控，VR的沉浸式体验可以提供身临战场的感觉。

4 虚拟现实目前的局限性及未来的发展方向

1）画面清晰度。画面清晰度直接影响着用户的体验。清晰的画面可以给用户带来真实沉浸的体验，但不清晰的画面会伤害用户的视力甚至带来头晕恶心的严重身体危害。但VR图形对计算机的性能要求是非常高的。以目前的计算机性能无法在VR上达到与二维显示器一样的图像清晰度，所以难免会出现纱窗效应，影响人们的体验。在计算机性能不足的今天，也出现了一些解决方案，代表性的一种方案利用了眼球追踪技术，通过追踪人们的眼球来判断用户目前正在注视的位置，然后集中运算资源来描绘这个区域，牺牲其他位置的清晰度来保证用户体验。但想要从根本上解决这个问题，只有改善VR设备与计算机的性能，这需要我们长时间的研发。

2）使用舒适度。理想中的VR应使人完全沉浸到虚拟世界中，但当今VR繁琐的限制难以让人长时间投入虚拟世界。比如说，用户身后冗长的电缆时刻束缚着用户的姿态且威胁到用户的安全。为解决这个问题，HTC已推出了无线版的Vive，其无线设计大幅改善了用户体验，但为之付出代价的是用户必须随身负载一块重量不菲的电池来维持设备运行。本身不轻的头盔再加上一块电池，无疑大大增加了用户负担，增加了用户颈部、背部病变的风险。要解决这个问题，只要通过技术发展，通过减小芯片制程，使用高强度低密度材料，增大电池密度等手段来减轻用户负担，改善用户体验。

3）交互体验。要想获得真实的VR体验，良好的交互体验是必不可少的。目前VR设备所能提供的反馈极为有限，通常仅有视觉，声觉上的反馈，缺少其他感官的交互。而且由于狭小的室内空间，VR设备只能捕捉用户简单的动作，用户难以通过真实的跑动来向VR设备输入动作信息。对于上述问题，目前都已有解决方案，如穿戴触觉手套、触觉背心，都能给予用户的触觉反馈体验；而使用全向跑步机则可以改善用户的体感体验。未来还可以通过技术手段来增使用户获得嗅觉体验与全身触觉，介时用户就真的可以完全沉浸到虚拟世界中了。

5 结论

虚拟现实技术已经被我们熟知，但其硬件性能还不够完美。当我们完善这项技术的内容和性能，激发出它的潜力后，它就会走上21世纪的舞台中央，走进平常百姓家中，改变我们每一个人的生活。

參考文献

[1]陶雪琴，李婷.虚拟现实技术的历史及发展[J].中国新通信，2012（23）：41.

[2]赵沁平.虚拟现实中的10个科学技术问题[J].中国科学（信息科学），2017（6）.