虚拟现实技术的分类及应用

李 巍

（安阳广播电视台，河南 安阳 455000）

虚拟现实（Virtual Reality，VR）单从客观学术表达的角度，虚拟现实技术指的不仅是计算机图形技术所生成的视觉，还有听觉、触觉、运动，甚至于现在人们还在探索的味觉、嗅觉等，所以VR技术被称为多感知，通过这些多方面多角度技术，让虚拟现实使用者产生身临其境的感觉。

1 VR技术的要素和分类

VR技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种尖端技术相结合而成的，作为一门交叉技术，VR技术拥有一定的难度基础，同时，VR技术又是一门极具有挑战性的前沿学科和研究领域。1956年之后，随着硬件设备的飞速发展，VR技术的理论也日趋完善。一般来说，理解虚拟现实有4个关键要素：想象（Imagination）、交互（Interaction）、沉浸（Immersion）和行为（Behavior）。由于这4个关键要素中的前3个要素的英文字母都是以“I”为开头，后一个以“B”开头，所以业界又简称为“3I+B”。

1.1 理解VR的4个要素

1.1.1 沉浸感

沉浸感就是指通过视觉、听觉等使得用户有身临其境的感觉，来增加虚拟世界的真实性。因为相对于理论的提出顺序而言，沉浸感是后来加上去的，而同时沉浸感也成了区分，虚拟现实设备好坏和VR技术类型的一大重要依据，同时这也是虚拟现实技术发展的目标之一。

1.1.2 想象

想象主导着VR内容甚至是VR产业的发展潜力，想象是VR的虚拟世界比之其他技术最吸引人的地方，想象的高度决定着VR内容以至于VR产业的发展深度以及影响范围，就拿计算机游戏举例，数学家运用“扫雷”这个游戏研究概率而普通人只是单纯地用这个游戏来解闷。同时针对行业目前的情况，想象也是十分重要的。想象为精品内容的出现提供了可能，为新的交互方式、新的行为方式提供了灵感，跳出传统思维才是属于未来的思考方式。

1.1.3 交互

交互是指计算机通过各种各样的传感器捕捉用户的动作等信息，同时经过处理后与人能够产生相互作用，包括对于物体的可供操作的程度，交互是沉浸感中不可缺少的一大重要影响因子，交互的实时性对于硬件的要求颇高，由于人类自身的物理反应，稍微的延迟就会严重影响体验。交互也使得VR不单单是简单的360度全景视频，它拓宽了VR的领域与应用范围。简简单单的转头也是交互的一种，从简单的环形荧幕到“陀螺仪”，这里不得不谈一个小小的例子：1968年受制于当时的技术水平，科学家Ivan Sutherland发明的VR头戴设备“达摩克利斯之剑”是依靠悬挂在天花板上来减少它的重量，由此我们不得不再次感叹科技的力量。

1.1.4 行为

行为是行为的基础，行为是交互的表达方式。从硬件角度而言，单纯只有头戴显示设备的时候，用户的行为紧紧局限于视觉的相关方面，从目前来说，要进行更多的互动就意味着需要更多的不同类别的传感器，所以VR手柄、激光定位器、追踪器、运动传感器甚至于VR座椅、VR跑步机等应运而生。

2 VR技术的主要类型

根据VR技术应用在其他领域采用的不同形式和最直观的沉浸度来区分，VR技术可以划分为以下4类。

2.1 小型传感器

简单的光线传感器、距离传感器等小型传感器，抑或者只是计算机界面的模拟应用。但是由于其造价低和门槛低的特点，这种类型的VR技术应用最为广泛。

2.2 沉浸式虚拟现实

比之桌面式虚拟现实，沉浸式虚拟现实则提供更高层次的完全的沉浸式体验，使得用户有一种置身于虚拟世界的感觉。几乎所有沉浸式虚拟现实的分类都是以头盔显示器为关键设备，当然随着科技的发展，业内的趋势是抛弃繁重的头盔设备，转而以眼镜甚至是直接投影在眼球上来代替。

沉浸式头盔是一种将使用者与真实环境隔离的先进显示装置，它可以分别为左眼和右眼提供两个既包含平行视差又独立的图像，类似于3D电影的拍摄和播放原理。再加上各种类型的传感器对现实的分别模拟，就能够产生一种极强的立体真实感。这种类型的VR技术是目前影响最广，在可操作的前提下潜力最大的一类。更多的商家也愿意在这一类的VR技术上做投资。

2.3 增强现实性虚拟现实

增强现实性虚拟现实，则是跳出了对现实的模拟和仿真，转而要加强参与者对于真实世界的感受，也就是那些无法感知或者是不方便感知的事物。比如说用户去参加车展，带上相关的设备后看车，车子的各类信息就会在设备上显示出来，这样用户就不必再去询问抑或者查询资料。增强现实是VR技术发展的目标和最终形态，但是受限于相关技术的发展。

2.4 分布式虚拟现实

简单来说，分布式虚拟现实系统是前面3类的集合版本。分布式虚拟现实系统是指基于网络的虚拟环境，使得位于不同物理位置的多个虚拟环境或者多个用户能够通过网络相连接。虚拟现实系统运行在分布式环境下有两种原因：（1）基于计算机发展的强大的分布计算能力。（2）某些应用本身就具有分布特性的需要，比如，各类网络游戏或者假使分隔在两地的人能够通过VR技术实现“面对面”的交流等。

3 VR技术在各领域的应用

VR技术在各领域的应用从产生之初就受到高度关注，特别是需要消耗大量人、财、物以及具有危险性的应用领域，具体来说主要包括以下几个方面。

3.1 在工业上的应用

VR技术使得现代工业设计得以更进一步，新的思路带来了新的创新的可能，作为现代工业的核心环节，VR技术在传统设计的基础上代替了老一套的平面设计，使得二维平面设计上的束缚得以突破。在进行产品设计时，可以利用计算机仿真、遥感等现代最新技术，将产品的质量、性能等全面地展示在三维空间中。设计师可以在计算机的帮助下，更加直观地观察到产品成型的状态，就能迅速地找出产品设计中的不足并且更快地加以解决，这样就可以缩短设计的周期，提高现代产品制造的效率，从而减少了研发成本，进而提高了产品的市场竞争力。不仅如此，利用分布式类型的VR技术，顾客还可以率先在虚拟世界里使用虚拟的产品，降低了直接投入市场运营的风险，而且三维空间中产品能够更好地体现设计者的设计理念，表达出设计者正确的想法。

3.2 在教育上的应用

VR教学是VR技术应用领域的一大重要目标，因为不论在什么情况下，教育的重要属性都不会减弱。比之于传统的面授黑板教学或者多媒体教学，VR教学能够更加吸引学生的兴趣，虚拟交互使得教育从被动变为主动，对于知识的表达也更加的直观。同时也为某些教学增加了安全系数，比如在化学的教学中，既可以利用VR技术在桌面上使得书本上的专业器具名词更加的立体，又可以利用沉浸式设备模拟化学反应的发生，不仅保证了安全，而且相比于视频能够从各种不同的角度更加直接地观察。

3.3 在军事上的应用

利用VR技术搭建的虚拟战场，可以使得士兵能够提前适应将要作战的环境并且在与实地环境极为接近的状态下进行战斗的演练等工作，VR技术的发生地美国在这一点上走在了前列：当年的海湾战争，士兵们对于周遭的环境并不会感到异常陌生，因为他们之前在模拟器中看到过、感受过不止一次这样黄沙漫天的场景，毕竟在战场上时间是最重要的，敌人无时无刻不对你进行攻击，你需要做的就是马上解决眼前的问题。

VR技术在军事中除了在战场上的应用，还有在战后士兵的心理修复方面也扮演着重要的角色。利用高配置的VR头盔，在各类传感器的帮助下，使得能够再现当初战场的图像、声音甚至于是气味，士兵就能在专业医生的监控下重新面对他们体会他们所经历的一切，同时减轻了谈话治疗的负担，成为医者的全新的一项改善治疗的选项。

3.4 在医学上的应用

VR技术能很好地解决看病远、看病难的问题，患者通过扫描自身的信息然后发送给医生进行诊断，或者通过之前设定的数据进行一些小疾病的自我检查。传感器对于身体的扫描而产生的信息汇总，会比病人自我描述显得更加详细，有利于缩短诊断的时间，提高疾病治疗的成功率。在某些医生不能到场的情况下，可以利用VR技术进行远程医疗。例如医院远程会议、远程实时合作手术等。在手术中，可以通过操纵手术机器人代替人手来完成一些高难度的动作，甚至是进入血管等体内的微型机器人，进行肿瘤的切除等外部很难完成的手术。

3.5 在游戏上的应用

普通的游戏无论是2D抑或是3D都不会产生VR游戏这般真实的体验，同时由于游戏的普适性，VR技术在游戏上的应用也是VR技术推广的重要部分，抛弃了鼠标和键盘的束缚，真正的以玩家为主角中心。VR技术帮助玩家“真实”实现了自己的梦想，例如使命召唤的VR版本可以让玩家体验真实的战场，实现普通人的战场梦：STEAM的B. Braun Future Operating Room游戏让玩家过了把医生的瘾。还有赛车、飞行等数不胜数。

3.6 在手机上的应用

由于手机和周遭电子设备的智能化，VR技术与手机的结合可谓是相得益彰，在桌面式虚拟现实方面，手机可以通过安装APP来模拟各种控制器来达成例如空调温度的控制，智能电视频道换台，窗帘的自动开关等，这也是最近各厂商乐忠的生态家居的概念。在沉浸式虚拟现实方面，受限于设备成本，行业自己的发展衍生出了名为虚拟现实眼镜和虚拟现实头盔的区别产品，就像手机行业的低端机和高端机的产品定位分布。除去配置和做工的差别，虚拟现实眼镜是依靠镜片为技术核心，借助智能手机来作为它的“主机”。由于所需的硬件在手机内的高度集成，虚拟现实眼镜的成本就大大降低了，真正降低了沉浸式VR的门槛，例如小米手机推出的小米VR眼镜，三星手机推出的Gear VR，暴风影音的暴风魔镜等都属于这个范畴。