文/范秀敏

深度沉浸：VR技術(shù)的發(fā)展

文/范秀敏

2016年被稱為VR元年，各種VR展會(huì)、發(fā)布會(huì)熱鬧非凡，各類VR機(jī)構(gòu)先后成立。然而VR并非近期出現(xiàn)的新技術(shù)，分析VR發(fā)展歷程、技術(shù)要點(diǎn)及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)更好地全面理解VR產(chǎn)業(yè)發(fā)展，具有重要意義。

范秀敏

上海交通大學(xué)機(jī)械制造與自動(dòng)化研究所教授

VR的定義和特征

虛擬現(xiàn)實(shí)的定義

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）概念最早由美國(guó)VPL Research公司創(chuàng)始人之一的Jaron Lanier在1989年提出，目前在業(yè)界得到廣泛應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（有時(shí)也被稱為沉浸式計(jì)算技術(shù))提供了與日益增長(zhǎng)的數(shù)字世界進(jìn)行交互的獨(dú)特方式。虛擬現(xiàn)實(shí)也常描述為一組技術(shù)，能使人感知參與者的位置和動(dòng)作，替代或增強(qiáng)一種或多種感官反饋，從而產(chǎn)生一種精神沉浸于或出現(xiàn)在仿真環(huán)境（虛擬世界）中的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)造出了一個(gè)包含三維物體的三維環(huán)境，對(duì)用戶而言，三維環(huán)境中的物體具有強(qiáng)烈的空間存在感，用戶與三維物體之間的交互感和對(duì)圖片或電影的感知是完全不同的。

虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)特征

虛擬現(xiàn)實(shí)包含四個(gè)關(guān)鍵要素：虛擬世界、沉浸感、感覺反饋以及交互性。

虛擬世界是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)虛擬環(huán)境，虛擬世界的構(gòu)建是其他一切虛擬現(xiàn)實(shí)行為的基礎(chǔ)。虛擬世界可以模擬真實(shí)環(huán)境進(jìn)行構(gòu)建，形成逼真的三維模型；也可以根據(jù)用戶的構(gòu)想創(chuàng)建真實(shí)世界中并不存在的場(chǎng)景，而后在虛擬世界中進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的交互操作。

沉浸感是VR最重要的技術(shù)特征，是用戶置身于虛擬世界之中，與虛擬世界進(jìn)行交互時(shí)所感受到的真實(shí)程度。而受限于軟硬件條件，現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還無法完全真實(shí)地模擬出與現(xiàn)實(shí)世界相同的感知效果，只能在一定程度上讓用戶體驗(yàn)到沉浸感。

感覺反饋是VR的一個(gè)鮮明特點(diǎn)。VR區(qū)別于傳統(tǒng)的交互接口，它不僅僅提供視覺、聽覺方面的反饋，還提供觸覺、力覺、嗅覺、味覺等全方位反饋，以滿足沉浸感的要求，且期望反饋的方式與作用于真實(shí)世界時(shí)的反饋效果相一致。

交互性體現(xiàn)在人與VR系統(tǒng)相互作用的過程中，通過各種傳感器使得計(jì)算機(jī)能夠?qū)τ脩舻淖匀唤换バ袨檫M(jìn)行識(shí)別同時(shí)做出相應(yīng)的響應(yīng)。交互實(shí)時(shí)性對(duì)于VR技術(shù)至關(guān)重要，如果用戶在與虛擬世界的交互中延遲很嚴(yán)重，就會(huì)產(chǎn)生非常不真實(shí)的感覺，嚴(yán)重影響交互體驗(yàn)。

VR的發(fā)展歷程

虛擬現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)生可以追朔到1962年美國(guó)Morton Heilig發(fā)明的Sensorama仿真器，這是一個(gè)早期的虛擬現(xiàn)實(shí)視頻設(shè)備,用戶通過Sensorama體驗(yàn)紐約的夜間街景。1965年Ivan Sutherland在他的文章中提出了對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)原創(chuàng)的想法，他用“終極顯示”這個(gè)名詞來進(jìn)行表述。在文章中描述了信息的顯示不僅可以傳遞到眼睛，還可以傳遞到耳、鼻、口和手。他提出了一些當(dāng)時(shí)尚未存在的技術(shù)來支持終極顯示，如3D交互設(shè)備、動(dòng)態(tài)繪制、力反饋、眼和注視跟蹤。文章所描述的愿景為虛擬現(xiàn)實(shí)研究奠定了基礎(chǔ)。這之后的30年，VR相關(guān)軟件和硬件得到了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，這也得益于美國(guó)軍方熱衷于開發(fā)新型的數(shù)字仿真器，其間NASA的科學(xué)家研制出了第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代末，Jaron Lanier成立了第一家開始銷售VR設(shè)備的公司。

但直到20世紀(jì)年代初期，能支持Ivan Sutherland奇特想法的必需技術(shù)才開始萌芽。1992年在芝加哥舉辦的SIGGRAPH計(jì)算機(jī)圖形學(xué)會(huì)議上，伊利諾依大學(xué)芝加哥分校推出了投影VR，也就是4面投影的CAVE（洞穴式虛擬環(huán)境）系統(tǒng)，以替代基于頭部的范例，成為展示會(huì)上最具有吸引力的新技術(shù)。1993年John A.Adam發(fā)表文章描述了VR技術(shù)在卡特彼勒、克萊斯勒、波音、NASA以及一些大學(xué)的研究，指出當(dāng)時(shí)的VR技術(shù)還不能充分支持真實(shí)的沉浸體驗(yàn)，但由于其潛在的優(yōu)勢(shì)，工業(yè)界已經(jīng)開始關(guān)注VR技術(shù)。

1999年Fred Brooks教授在美國(guó)NSF基金支持下開展VR應(yīng)用的工業(yè)調(diào)研，基于他在戴姆勒、NASA等組織的工業(yè)應(yīng)用體驗(yàn)，指出VR技術(shù)勉強(qiáng)能夠使用，VR技術(shù)仍存在挑戰(zhàn)。自從Brooks教授發(fā)表調(diào)查以來，VR技術(shù)研究開始蓬勃發(fā)展，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都開始致力于VR技術(shù)創(chuàng)新和工業(yè)應(yīng)用知識(shí)構(gòu)建。VR技術(shù)開始被各種工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用以滿足不同的需求。

國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)在20世紀(jì)90年代開始逐漸大量關(guān)注VR技術(shù)。1996年汪成為院士出版了首部VR著作《靈境(虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)的理論、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用》，浙江大學(xué)CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在2002年獲得VR領(lǐng)域首個(gè)973項(xiàng)目，北航、北理工、上海交大等大學(xué)也都開展VR技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用研究，2008年北航成立教育部“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。這期間VR技術(shù)也獲得了國(guó)內(nèi)許多公司的大力投入，特別是2014年Facebook收購(gòu)Oculus Rift頭盔，掀起了VR商業(yè)化普及化的浪潮，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)也紛紛布局VR產(chǎn)業(yè)鏈，2016年被稱為VR元年。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)工作模型

VR的技術(shù)原理

VR工作的技術(shù)過程

用戶通過輸入傳感器與計(jì)算機(jī)中的三維虛擬世界進(jìn)行交互，虛擬世界發(fā)生改變后，再通過傳感器反饋給用戶，形成閉環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通常由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、虛擬世界數(shù)據(jù)庫(kù)、專業(yè)圖形處理計(jì)算機(jī)以及軟件系統(tǒng)等軟硬件構(gòu)成。

輸入設(shè)備是虛擬世界的信息輸入接口，輸出設(shè)備是虛擬世界對(duì)用戶的反饋輸出。輸入輸出設(shè)備包括立體顯示設(shè)備、聽覺設(shè)備、位置跟蹤設(shè)備、力觸覺反饋設(shè)備等。顯示設(shè)備有各種類型，可以是一種或幾種組合：?jiǎn)蝹€(gè)投影屏幕、多個(gè)拼接的投影幕（如CAVE）、帶跟蹤的桌面立體顯示器以及頭盔。交互通過位置跟蹤實(shí)現(xiàn)，位置跟蹤系統(tǒng)（如光學(xué)跟蹤、磁場(chǎng)跟蹤、超聲跟蹤、慣性跟蹤等）實(shí)時(shí)計(jì)算自由度空間姿態(tài)。手勢(shì)識(shí)別也是一種常見交互方法。通過觸覺設(shè)備（通過力、振動(dòng)、溫度等方式實(shí)現(xiàn)）可以增強(qiáng)交互的物理真實(shí)感。

虛擬世界數(shù)據(jù)庫(kù)用于綜合管理與存儲(chǔ)虛擬世界包含所有物體的多種信息，如幾何模型、運(yùn)動(dòng)模型、物理模型，以及輸入輸出設(shè)備映射驅(qū)動(dòng)等。專業(yè)圖形計(jì)算機(jī)提供了虛擬世界所有數(shù)據(jù)計(jì)算的硬件資源，軟件系統(tǒng)是VR系統(tǒng)邏輯業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)類型

根據(jù)用戶參與程度和沉浸感的不同，可以將虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分為：桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，以及分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是基于桌面計(jì)算機(jī)建立的簡(jiǎn)單虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，依靠桌面計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果輸出到3D立體顯示器。

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是較為完善的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它通常提供一個(gè)較大的封閉空間，或者通過佩戴頭盔,用戶與虛擬世界進(jìn)行交互時(shí)，不會(huì)受到外界的干擾，如CAVE虛擬仿真環(huán)境。

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要是將虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，使得身處異地的用戶通過網(wǎng)絡(luò)連接可以同時(shí)參與到一個(gè)虛擬世界中，同時(shí)與虛擬世界進(jìn)行交互或者與其他用戶進(jìn)行交互。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求較高，較長(zhǎng)的延遲會(huì)影響用戶的交互體驗(yàn)。

VR技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

隨著VR相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的計(jì)算資源和高性能顯卡可以足夠幀率來繪制高度復(fù)雜模型以支持交互顯示，位置跟蹤器體積更小、響應(yīng)更快、更精確，更好的頭盔光學(xué)系統(tǒng)，支撐的技術(shù)和軟件也已成熟且穩(wěn)定，VR技術(shù)已經(jīng)走向?qū)嵱?，廣泛地應(yīng)用于游戲、影視娛樂、教育、工程、軍事等領(lǐng)域。目前VR系統(tǒng)成本大為降低,以頭盔為例，20世紀(jì)90年代的V8頭盔價(jià)格約10萬元，20世紀(jì)初期的xSight工業(yè)級(jí)頭盔價(jià)格40余萬，而2010年后發(fā)布的Oculus Rift和HTC Vive頭盔價(jià)格是數(shù)千元。

目前VR技術(shù)仍然存在一些挑戰(zhàn)，2016年專家Leif P.Berg也發(fā)表了VR工業(yè)應(yīng)用調(diào)研情況。一些技術(shù)挑戰(zhàn)如:場(chǎng)景三維建模和模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化過程的便捷性、虛擬世界中環(huán)境模型的幾何和物理仿真建模真實(shí)感、高效的碰撞檢測(cè)和力反饋感知、VR頭盔的人機(jī)工學(xué)屬性性能等仍需提高。VR產(chǎn)品目前的價(jià)格也過高。梓涵肯VR參與人員對(duì)VR認(rèn)知的不斷深入以及產(chǎn)業(yè)資本的投入，相信VR技術(shù)及產(chǎn)業(yè)會(huì)發(fā)展得越來越好，未來需要學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同推動(dòng)。

責(zé)任編輯：向坤