虚拟现实技术发展浅谈

徐一夫

摘 要 虚拟现实技术是一种交互式仿真技术，其通过多种手段带给用户以沉浸式体验，并被认为是继电脑、手机之后的新一代计算平台。文章简要介绍了虚拟现实的演进历程，主要技术方向及所遇到的技术瓶颈，并以此引出对VR技术应用领域的叙述，最后展望了VR技术的发展前景。

关键词 虚拟现实技术；发展阶段；3I特征；应用现状

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）224-0122-02

虚拟现实技术是一种数字化环境，它以计算机技术为主干，并综合利用了仿真、多媒体、并行处理、图形渲染、屏显等多种技术，以求在视、听、触感等方面与一定范围内的真实环境高度近似。VR技术被认为是21世纪最具潜力的发展学科之一。

VR概念、思想的形成从产生萌芽到独立发展，经历了近一个世纪的时间。如今随着社会生产力和科技的不断发展进步，各行业对VR技术的需求空前旺盛，且随着芯片等技术的提升，VR成本大幅下降，并逐渐走入我们生活的方方面面。本文拟就VR思想的形成、VR技术的发展与应用、研究现状与问题等进行简要阐述。

1 VR思想的形成与发展

VR思想从萌芽期到成熟期，先后经历了以下几个发展阶段。

1.1 VR技术的前身（1963年以前）

在人类数千年探索自然的过程中，对认识、模拟自然的渴望早已有之。而如今，随着技术的发展及生产生活的需要，对可以模拟自然、进而助人类更好地适应和利用自然的科学方法和科学技术的需求更是日趋强烈。在此背景下，虚拟现实技术应运而生，其概念则随着技术的发展而不断演化。

VR技术与仿真技术息息相关，其起源最早可追溯至中国古代的有声风筝。《墨子·鲁问》记载：“公输般竹木为鹊，成而飞之，三日不下”，风筝的拟真、互动等行为便是仿真技术在人们生活中的应用的实例。

经历漫长历史，发明家Link？E？A于1929年发明飞行模拟器，使乘坐者实现对飞行的感官体验；其后Heileg？M于1956年开发出Sensorama（一种仿真摩托车系统），并于1962年为他的“Sensorama？ Simulator”？申请专利。Sensorama具有三维显示及立体声效果，并能产生振动感觉；Sensorama？ Simulator则已经具有一定VR技术思想。电子计算技术的发展及计算机小型化，也推动了仿真技术的发展，计算机仿真技术学科也逐步形成。此阶段的VR技术，蕴含了虚拟现实的思想，处于概念和技术的酝酿阶段。

1.2 VR技术的发展阶段（1963—1989）

20世纪60年代，Ivan？Sutherland教授在其论文中阐述了有关计算机交互的内容。1965年他发表的论文the？ultimate？display（终极显示）提出了着重于感觉、交互双重真实的新式人机协作理论，推动了计算机图形技术的发展，也为数据手套、头盔显示器（HMD）等设备的研究带来启发。1973年Myron？Krurger教授提出“Artificial？ Reality”，这是早期出现的虚拟现实词汇；80年代中期，VR领域频有大事件发生，如美国陆军和美国国防部高级项目和研究计划局（DARPA）共同实施的SIMNET（SIMulation？NETworking）计划以及VPL公司Lanier？J提出的“Virtual？Reality”一词。SIMNET计划大获成功，开创分布式交互仿真技术研究与应用之先河；而“Virtual？Reality”很快被研究人员普遍接受，成为该领域的专用名词。

1.3 VR理论的完善及全面应用（1990年至今）

1990年在Dallas召开的SIGGRAPH会议上，就？ VR技术做出了大量讨论，并提出VR技术研究的主要内容，如高分辨率显示技术等。随着计算机技术的高速发展，人类生活、工作的方式也因移动终端等的出现而改变。几年前，Facebook？收购Oculus标志着VR产业井喷时期的到来，2016年更是被称为“VR元年”。

2 VR技术的分类与基本特点

2.1 VR技术的分类

VR涉及学科众多，应用领域广泛，系统种类繁杂，这是由其研究对象、研究目标和應用需求决定的。从不同角度出发，可对VR系统做出不同分类。

2.1.1 方式一：沉浸式体验角度

沉浸式体验分为非交互式体验、人—虚拟环境交互式体验和群体—虚拟环境交互式体验等几类。

该角度强调用户与设备的交互体验，相比之下，非交互式体验中的用户更为被动，所体验内容均为提前规划好的；即便允许用户在一定程度上引导场景数据的调度，也仍没有实质性交互行为，如场景漫游等，用户几乎全程无事可做；而在人—虚拟环境交互式体验系统中，用户则可用过诸如数据手套，数字手术刀等的设备与虚拟环境进行交互，如驾驶战斗机模拟器等，此时的用户可感知虚拟环境的变化，进而也就能产生在相应现实世界中可能产生的各种感受。

如果将该套系统网络化、多机化，使多个用户共享一套虚拟环境，便得到群体—虚拟环境交互式体验系统，如大型网络交互游戏等，此时的VR系统与真实世界无甚差异。

2.1.2 方式二：系统功能角度

系统功能分为规划设计、展示娱乐、训练演练等几类，如：规划设计系统可用于新设施的实验验证，可大幅缩短研发时长，降低设计成本，提高设计效率，城市排水、社区规划等领域均可使用，如VR模拟给排水系统，可大幅减少原本需用于实验验证的经费；展示娱乐类系统适用于提供给用户逼真的观赏体验，如数字博物馆，大型3D交互式游戏，影视制作等，如VR技术早在70年代便被Disney用于拍摄特效电影；训练演练类系统则可应用于各种危险环境及一些难以获得操作对象或实操成本极高的领域，如外科手术训练、空间站维修训练等。

2.2 VR技术的特点

VR技术特点的经典概括为“3I”，即沉浸感（immersion）、交互性（interaction）和构想性（imagination）。

沉浸感指VR环境对人体感官的欺骗性，包括视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉等，从而使体验者具有极强临场感；交互性指VR环境提供使用者以人性化操作界面和自然反馈；构想性是指在沉浸感和交互性加持下，由环境状态和交互行为的变化引导参与者对未来产生构想。

近年来，随着大数据技术等的兴起，源于对图像、视频等的学习的高校建模手段成为热点，虚拟环境自适应性的提升成为新一代亟待解决的难题，在此情况下，“智能化”或许将成为指导未来VR技术研究的重要特征。

3 VR关键技术与瓶颈

3.1 VR硬件

1）显示设备。典型设备有头盔显示器。通过安装其上的头部运动跟踪装置，HMD可实现对用户头部当前姿态的准确捕捉，并计算相应的虚拟对象位姿，显示在HMD屏幕上。如谷歌的Cardboard、三星和Oculus联合设计的Gear？VR。此外，3D立体眼镜、全息和环幕等也属于主流VR显示设备。

2）VR芯片技术。VR芯片的研发已成为国际著名芯片厂商抢占的热点之一，典型代表包括高通骁龙835、845等，系列产品在3D？画面、3D？音频、空间定位以及手势辨识等方面不断优化；国内厂商如华为也在2017年9月2日推出了全球首款AI芯片麒麟970。

3）VR力触觉交互设备。相应研究目前还处于初级阶段，目标是使参与者在VR环境中实现触觉、力觉等更为高级的感觉。国际上典型成果如芬兰Linjama等、NOKIA实验室与剑桥大学等分别实现的表面触觉反馈系统，可在触摸屏表面实现触觉纹理的再现。

3.2 VR软件

VR软件技术包括数据库、应用软件系统等。在VR环境中，场景需要实时绘制，大量虚拟对象需要在分类保管的数据库中实现保存、使用和更新；应用软件系统则是实现VR技术应用的关键，用户选取合适的工具包，再由软件系统完成几何、运动、声音等方面的建模。

3.3 VR技术的不足

虚拟现实技术发展迅猛，但仍存有许多问题。如硬件设备难以满足市场需求，计算机处理能力及速度十分有限，这在很大程度上限制了VR设备的拟真程度；应用领域局限，新成果多应用于军事、科研等领域，工业及民用领域应用率低；此外，现阶段VR技术难以达到真正的拟真效果，用户在运动频率偏大时难以避免地产生眩晕等不良反应，直至目前仍无有效解决手段。

4 VR的应用现状与发展趋势

自VR技术产生之初，即受到多个行业的高度关注，如为军事及航天领域研制的分布式虚拟战场环境及哈勃望远镜的维修训练系统等，均取得令人满意的成果。今天的VR更被应用在多个领域，如教育、交通等，并收获了可观的经济与社会效益。

4.1 VR在工程中的应用

由几百万零件组成的波音飞机，对建造技术提出极高要求；为实现其产品设计与性能评价，“虚拟装配设计环境”技术应运而生，这便是一个VR技术基于制造业的经典应用。在城建领域，VR也取得了大量成果，如我国浙江大学开发的虚拟故宫系统；此外，VR在核工业、石油、水电等领域也取得一定成就。

4.2 VR在醫学中的应用

2003年初，第一军医大学完成国内首例女虚拟人的数据采集，在此之前，VR技术已在全球医疗领域取得一定进展。医生可借助VR系统进行外科手术模拟，或通过虚拟的医疗手术治疗系统对患者进行远程治疗。

近年来，VR也在文化教育、游戏、影视等领域受到人们欢迎。可以说，VR技术的应用现状十分乐观。

4.3 VR技术的发展趋势与前景展望

在各种领域的设计上，VR环境下的产品研发已成为企业必须直面的问题，其设计速度高、消耗资源少、所需操作人员少的优良特点已得到广泛关注。要实现这一技术，仍需解决开发过程中的“知识熔合”（Knowledge？Fusion）问题，即将多领域知识嵌入产品开发过程中，以及从根本上实现VR产品模型的精确性、可靠性与普适性，使企业最大程度获益。

在医学上，医学虚拟系统的完成将是21世纪极有意义的一项挑战；在文化教育方面，VR的应用可解决硬件资源的不足，并便于学习者进行虚拟实验、虚拟训练等多元学习内容；工程领域，VR也具有广泛的发展前景，并持续吸引着工业界及资本市场的目光。

VR源于实际，又是现实世界的“强化”版本，其蕴含着大量未知，潜能无限，必将在21世纪对人类产生极为广泛而深远的影响。

5 结论

历经60余年的发展与演进，VR技术已初具雏形，并得到了一定范围的应用。由于其独特的不可替代性，各国均建立了支持VR技术的长期战略，如英国发布的“2015—2020年8个新兴科学技术集群的战略报告”，有6项涉及VR内容；我国颁布的《国家中长期科技发展规划纲要（2006—2020）》也将VR列为信息领域优先支持的3个方向之一。虽然距离建立真正的虚拟现实交互系统仍有较大距离，但随着基础理论的进步与技术层面的不断突破，可以乐观地预测VR技术的全面突破。它正向着满足人类不同层面需求的方向发展，并终将无处不在。

参考文献

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