VR虚拟现实技术发展与应用

涂思危

摘 要：本文剖析了当今热门的虚拟现实技术自身的发展现状及其在产业中的应用，对VR核心技术介绍、在医疗与能源仿真领域的应用、未来前景与展望三部分内容进行了论述。VR技术起步较晚，但发展迅速，该技术所创设的虚拟环境为其在多领域的应用创造了可能，其自身也可以与其他热门领域相结合以实现新型交互方式，给予用户更加舒适的感官体验。

关键词：虚拟现实技术;创设空间;发展前景;领域应用

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0051-02

0 引言

随着如今电子信息和计算机技术的不断进步，虚拟现实技术也作为一项新兴技术得以初步发展。作为一个在众多领域均有重大研究意义和价值的新模式，虚拟现实技术对于我国的技术创新、未来科技发展等方面有着重要作用。目前，该技术已可被初步应用于许多产业中，但就长远来看，虚拟现实技术与生活及产业的结合仍具有一定的局限性。因此，为了将该技术的潜在价值充分体现，我们应对该技术的内涵与发展、应用模式有更加充分的了解。本文将对VR虚拟现实技术的发展现状、具体应用价值及其发展建议进行简要的概述。

1 虚拟现实技术简介

1.1 虚拟现实的发展历史

虚拟现实技术的发展起步于上一世纪，其发展历程也大致分为三个阶段。第一阶段，在20世界70年代以前，是VR技术理论思想的探索时期，这一阶段虚拟现实思想初步产生，但由于技术的限制，尚不具备将这一技术所系统化应用的条件。1935年，美国小说家Stanley·G·Weinbaum首次在小说中构想出通过眼镜达到视觉、触觉、嗅觉等全方面立体模拟体验现实画面的虚拟现实构想，这也是目前可追溯的最早的关于虚拟现实的构想。1962年，美国电影摄影师Morton·Heilig通过研究发明“全传感仿真器”并以此申请了专利，这一发明也含有部分虚拟现实技术的思想理论。第二阶段，到了20世纪80年代，VR技术的研发与应用初步开展。这一技术也不再局限于单个实验设备研究，人们开始将多系列的设备相整合，初次从视、听、触等多方面进行对VR环境与设备的构建，这也使得VR的实际应用拥有了必要条件[1]。但这一时期所设计的产品相对笨重、价格昂贵，并没有获得市场的关注与青睐。第三阶段，从90年代初至今，随着计算机与网络技术的进步，VR技术也开始高速发展。这一阶段中，VR设备更为便捷实用，仿真度也日益提高，人机交互性能也不断改善，使得各类VR产品相继推出。1994年，日本游戏公司Sega针对游戏产业所推出的SegaVR-1在业内引起了不小轰动[2]。2014年，Facebook收购Oculus更是推动了VR的商业化发展。如今VR技术已在多个领域内有着广泛应用，虚拟现实正在以一个前所未有的速度高速发展。其巨大的发展潜力也得到了各界的重视。预计在若干年以后，虚拟现实的发展将进入成熟期，多数技术难题将得到有效解决，产业链逐步完善。

1.2 基本特征

VR技术以计算机技术为载体，作为多种复杂技术的结合，拥有利用计算机为用户创设虚拟三维空间的能力。多年来，随着虚拟现实技术的不断发展，VR技术的存在感、交互性、创造性以及多感知性四大基本特征不断凸显。

对于用户而言，虚拟现实技术所模拟出的空间可以使其如同身临其境。其根据人类感官的直观感受和心理特点，在最理想的虚拟情景下，可以使用户无法辨别出眼前的空间与真实世界的区别，从而拥有更好的虚拟体验，这一特征即是存在感的含义。

在电脑所创设的环境中，介入者并非被动接受电脑的控制，用户需要对机器之间存在自然交互以实现对虚拟情境下自身的运动与调整，这一现象表现为交互性。在目前的VR应用中，大多是运用VR手柄、鼠标、自身移动等方式实现交互，这一交互是实时的、同步的，意味着用户可以对虚拟环境进行迅速调整和应对。

VR的创造性体现在：视觉感知中的世界是人为创造出的，而非真实存在，但所创造出的环境仍然符合所有物理定律[3]，这一特性为人类提供了认识事物的新方法，能够提供按照人类创造力所想象的世界，也拓宽了人类探知事物的途径。

多感知性体现在：除去VR设备所提供的视觉感知以外，可以通过多种传感设备提供包括听觉、触觉上的感受，这使得VR系统具备了多感知功能，同时也使得介入者能够多方面的感受虚拟环境。

1.3 虚拟现实的关键技术

虚拟现实系统主要以计算机图形技术为载体，由于对于所创设的虚拟环境有着四维特征的高要求，其自身的运作相对复杂，是多种技术相结合的结果。

虚拟图形的生成技术目前已较为成熟，可以根据事物的3D物理几何特征构建模型。但在虚拟现实系统中，这些模型如何做到实时跟进，仍是一个重点。三维图形实时生成技术既要求圖形的质量精度达到一个高度，也对图像的刷新速度有着一定要求。以虚拟游戏对战为例，想要达到实时跟进，体现战机转瞬即逝的效果，就必须对图像的刷新频率进行提高。

广角立体显示技术则保证了用户能够感受到高清晰度、逼真的视觉效果。在当今的虚拟现实系统中，当用户戴上头套后，两只眼睛所看到的图像是不同的、单独产生的，这也意味着双眼在视觉感官效果上的差异可以使画面呈现出立体感的效果。

语音输入输出技术为用户提供了立体音效效果，其关键在于创造更加自然与立体的音效，以提高用户的听觉感知。

传感反馈技术的载体在于人们所佩戴的数据手柄等物品，其可以根据这一技术为用户提供虚拟环境下的触觉感受，即通过传感设备对虚拟环境中的物体进行五感的体验。

虚拟环境体验过程中，用户通过眼罩的方向移动来改变视线，这一过程即应用了视点感应技术。该技术可以通过眼部肌肉的变化、眼罩定位等方式进行视线的移动，使用户拥有更加便捷的虚拟体验。

2 虚拟现实的应用

2014年Facebook收购Oculus事件使VR技术第一次进入公众视野，自此之后，关于VR技术与各种产业相结合的报道不绝于耳。2016年更是被冠以“VR产业元年”。本文将以医疗和能源仿真两大领域作为示例，展现VR技术在产业中的广泛应用与巨大价值。

2.1 医疗

医疗作为一项关乎民生的重大领域，其自身发展状况影响居民健康生活水平。随着VR技术水平的不断提高，虚拟现实设备在医疗方面的应用也逐渐变为可能，其无疑对医疗领域的进步与发展带来一定的积极意义。

VR技术可以在虚拟环境中构造人体模型，介入者可以通过手柄操作移动来对人体结构有更加直观的了解，产生视觉和触觉的双重体验。同时，在医疗手术中，医生可以通过VR技术对操作难度与风险有着提前的掌握，有助于降低手术风险。这一技术同样可以应用于医疗教育与培训中，创造实体为新任医生提供试验样本，并有助于其在身临其境的环境中获得更多的技巧知识与锻炼机会。

这一技术同样可以被应用于患者的康复过程中，例如对残疾人士辅助功能的治疗过程中，将VR技术与娱乐性相结合，在康复治疗的同时提高患者的治疗情绪。

此外，VR技术为多种全新治疗方法的研发创造了可能。虚拟现实技术可以运用于例如恐高症等心理问题的治療方面。在心理医生的指导下，使患者戴上VR设备，通过其创设的虚拟环境使得患者逐渐对其得到适应并最终消除心理障碍。有数据显示，在数年前将VR技术应用于治疗恐高症患者的测试中，有近90%的人获得了显著成效。

2.2 能源仿真

能源产业种类繁多，技术难度较大。随着如今人类生活对能源需求的增大，所面临的能源问题也逐步凸显，如何能使能源产业在提升效率的同时控制成本的投入，长久以来都是一个很棘手的问题。而虚拟现实技术在创设环境、模拟生产等方面的优势或许能在这一问题上大显身手。

目前，我国的能源产业包括煤矿生产、石油开采、电力生产与输送、水利水电工程等领域，而虚拟现实能源仿真行业的出现在以上领域中均有很大的发展潜力。

虚拟现实所构造的开采环境仿真系统有利于帮助工人熟悉其作业环境，了解作业流程，降低作业风险。同时该技术可以模拟诸如爆炸、水灾、火灾等极端环境，让企业人员对于极端环境与危险情景有更加全面的了解，起到降低安全事故的危害的作用。

该技术同时可以利用于促进能源行业的结构调整与产业升级。虚拟环境有助于企业对新技术的开发拥有更便利的试验环境，帮助产业进行优化设计，也同样可以作为一种对职工培训的手段，降低培训成本，提升生产效率。

举例来说，这一理念已被成功应用于目前煤矿业生产过程中，部分企业已经应用了矿井综采虚拟现实系统。该系统通过VR技术将矿井作业的场景逼真展现[4]，可以以此提早发展工作所存隐患，提升工作安全程度，并帮助企业进行教学培训，减少矿工教学应用成本，使矿工对作业运行状态有全方位的了解，生产效率得到大幅度的提升。

3 虚拟现实技术的发展

3.1 未来前景

如今，VR技术引起的颠覆性的创新变革涉及众多领域。在未来，虚拟现实与实际产业的结合无疑将给产业的革新升级带来更大机遇，其自身巨大的商业价值也将得以体现。

从统计数据来看，目前国内有关行业的融资已达50亿元，企业员工已达近100万人，产业规模的迅速增长使得VR软硬件技术快速进步，有望在未来对虚拟现实硬件逐步形成产业化、规模化生产。据目前国际领先的投资银行高盛预测，至2025年，世界虚拟现实市场规模将有望达到1820亿美元。同时，软件和硬件技术的进步同样带动了潜在用户规模的增长，虚拟现实设备的价格并非以往令人望而却步，而自身体积的减小与用户体验的增加也吸引了市场更大的关注，根据预测，至2020年，保守估计，VR用户群体规模相对现在将增长约50-100倍，可达2500万人，可见虚拟现实在市场中的受欢迎程度。

3.2 当前局限

即使VR技术前景较为广阔，但作为一项高速发展的科技技术，其自身的问题也随之渐渐浮现，例如产品回报稳定性的问题、用户视觉体验问题等，对于VR企业而言，如何突破目前VR发展的瓶颈，让VR技术成为主流仍是他们所亟待解决的问题。

首先，部分用户使用VR设备会带来眩晕、呕吐等不适之感，这也造成其体验不佳的问题。部分原因来自清晰度的不足，而另一部分来自刷新率无法满足要求。据研究显示，14k以上的分辨率才能基本使大脑认同，但就目前来看，国内所用的VR设备基本还处于单眼2k级别，远不及骗过大脑的要求[5]。消费者的不舒适感可能产生的其对VR技术是否会对自身身体健康造成损害的担忧，这必将影响VR技术未来的发展与普及。

VR体验的高价位同样是制约了其扩张的原因之一。在国内市场中，VR眼镜价位一般都在三千元以上，而HTC与Valve所联合开发的HTC Vive国行售价更是达到了6888元。当然这并非是短时间内可以解决的问题，用户如果想体验到高端的视觉享受，必然要为其内部更高端的电脑支付高昂的价格。

若想要使得虚拟现实技术得到推广，确保其内容的产出和回报率的稳定十分关键。其所涉及内容的制作成本与体验感决定了消费者接受VR设备的程度，而对于该高成本的内容，其回报率难以预估。其中对VR原创内容的创作无疑加大了其中的难度。

3.3 发展建议与展望

为应对VR技术现在所面临的问题与挑战，解决其自身存在的局限性，VR企业必须想办法打破困局。

大型企业可以利用其本身全球化的布局影响积极推动VR产业的发展。以当今世界上最大的视频网站YouTube为例，自2015年起，YouTube全面开始支持VR相关视频的上传和播放，并通过自身机器处理将热门视频实现VR特效的转化，旨在通过VR视频这一渠道吸引更多用户参与并实现“VR民主化”的目标，从而以此提升自身知名度与品牌竞争力。在Google的支持下，Youtube平台正逐渐将VR变成人人都可参与体验的一项技术，这也无疑在自身收获效益的同时推动了VR产业的发展。

将虚拟现实技术应用于当今热门领域如人工智能实现AI交互。人工智能有助于实现用户所需的智能化与个性化，而VR技术有助于实现用户的沉浸式体验，两者的互补与结合作为一种全新尝试，定会带来全新体验。人工智能的交互方式可以促进技术的深入发展，用户可以在虚拟界面直接和AI进行交流。

目前，许多技术的应用尚未完全普及，例如屏幕弯曲度显示技术等等，这都表明虚拟现实技术未来的发展承接在现有技术的突破和创新之中。在未来，随着技术的不断进步，虚拟现实的影响和价值将进一步扩大。虚拟现实技术所创设空间的科学艺术将提升人们的感官体验，我们有理由相信，这有全新的认知事物的方式将为众多领域的发展创造可能。

参考文献

[1] 庞国锋.虚拟现实的十堂课[M].电子工业出版社，2017.

[2] 宋利，罗莹.虚拟现实技术及其广泛应用[J].科学，2018（1）：9-13.

[3] 夏敏.浅谈虚拟现实技术[J].通讯世界，2017（2）：27-28.

[4] 刘向东.一本书读懂虚拟现实[M].清华大学出版社，2017.

[5] 张毅.虚拟现实技术的发展现状与展望[J].电脑迷，2017（11）：32.