田 金，陸 平

（青島大學美術學院，山東 青島 266071）

引言

三維虛擬仿真技術簡稱為虛擬仿真技術，又稱為虛擬現(xiàn)實技術或者模擬技術。它就是利用一個虛擬系統(tǒng)來模仿一個真實系統(tǒng)的技術。虛擬仿真技術實際上是一種計算機技術，能夠實現(xiàn)創(chuàng)造和體驗虛擬世界。這種虛擬世界由計算機生成，模擬的可以是現(xiàn)實世界，也可以是人設想出的世界，體驗者通過自己的視覺、聽覺及觸覺等多種感官與虛擬世界進行交互，體驗“身臨其境”的感受。三維虛擬仿真技術的逼真性、虛擬性、互動性與沉浸性的特征，充分滿足了現(xiàn)代仿真技術的發(fā)展需求。并且由于虛擬仿真技術綜合性的特點，也決定了其可以與多種技術相融合，從而形成新的技術，并應用于更廣泛的領域。隨著三維虛擬仿真技術的不斷改進和發(fā)展，其在現(xiàn)代社會各個領域的應用不斷擴大，不僅在影視、設計、醫(yī)學、軍事等傳統(tǒng)領域廣泛應用，而且在互聯(lián)網(wǎng)營銷、游戲開發(fā)等前沿領域也得到了極大的關注和應用。在人類認識世界和改造世界的歷史進程中，三維虛擬仿真技術正發(fā)展成為一項不可或缺的前沿技術，在科學技術發(fā)展如此迅猛的時代，它的作用不可忽視。

1 三維虛擬仿真技術的發(fā)展方向

1.1 虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實技術，簡稱VR，是虛擬仿真技術中一個重要的發(fā)展方向。在20世紀80年代，虛擬現(xiàn)實技術開始出現(xiàn)，它是一種綜合性的集成技術，涉及到計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等。虛擬現(xiàn)實技術利用電腦模擬生成一個三維的虛擬世界，可以逼真地模擬現(xiàn)實世界（甚至是不存在的）的事物和環(huán)境，為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等感官上的仿真，使用者在這個虛擬世界中觀察事物而不受限制，并且可以通過人體的肢體運動來操作，從而與虛擬環(huán)境進行交互。在VR設備上，由于虛擬現(xiàn)實是一個純虛擬場景，所以VR設備主要用于用戶和虛擬場景之間的交互，包括位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、動態(tài)捕捉系統(tǒng)、數(shù)據(jù)頭盔等。VR技術現(xiàn)已廣泛應用于教育、醫(yī)學、游戲等領域。該技術在醫(yī)學中的應用具有重要意義，比如在實際動手術之前，外科醫(yī)生可以使用虛擬現(xiàn)實技術在顯示器上反復模擬手術，移動虛擬人體器官，探索最佳手術方案，提高手術的精準度。

1.2 增強現(xiàn)實

增強現(xiàn)實技術，簡稱AR，是一種實時計算攝影機影像的位置和角度并添加上相應的圖像的技術。它通過計算機技術將虛擬信息應用于現(xiàn)實世界，真實環(huán)境與虛擬對象被實時地重疊到同一個畫面或空間，不僅顯示真實世界的信息，而且同時顯示虛擬的信息，兩種信息相互補充。在設備方面，由于AR是真實場景和虛擬場景的組合，所以基本上需要相機，在攝像機拍攝的圖像基礎上，結合虛擬畫面進行展示和交互。目前AR技術的應用也比較多，比如谷歌公司在2012年發(fā)布的一款產(chǎn)品——谷歌眼鏡（Google Project Glass），就是一款增強現(xiàn)實類的穿戴式智能眼鏡，另外，在2016年一款風靡世界的游戲——Pokemon Go就是一款AR游戲。VR與AR的主要區(qū)別就在于“虛擬”與“增強”的區(qū)別，所謂“虛擬環(huán)境”就是除了使用者本身是真實的以外，其他事物都是虛擬的，是由計算機所模擬的；而“增強環(huán)境”則是除了使用者本身是真實的，其他大部分事物也是真實的，只是某一個或幾個事物是模擬出來的虛擬事物。

1.3 混合現(xiàn)實

混合現(xiàn)實技術，簡稱MR，是虛擬現(xiàn)實技術的進一步發(fā)展，包括增強現(xiàn)實和增強虛擬，指的是現(xiàn)實世界和虛擬世界融合后而產(chǎn)生的新的可視化環(huán)境，在真實世界、虛擬世界和使用者之間建立一個交互反饋的信息環(huán)路，以增強用戶體驗的真實性。MR技術與VR技術、AR技術的不同之處，簡單來說虛擬現(xiàn)實（VR）呈現(xiàn)的場景和人物都是假的，將你的意識帶入到一個虛擬世界；而增強現(xiàn)實（AR）呈現(xiàn)的場景和人物一部分是真的，一部分是假的，是將虛擬的信息帶入到了現(xiàn)實環(huán)境中[1]；混合現(xiàn)實（MR）具備環(huán)境自適應能力，能夠實現(xiàn)全息影像和真實環(huán)境的融合，它并不能為用戶帶來沉浸感，其真實感完全依靠全息影像和真實環(huán)境的完美契合來實現(xiàn)，因此，MR技術比AR、VR技術更高級。目前MR技術的研究者和研究成果都相對較少，在硬件方面主要成果有微軟公司在2015年推出的Hololens混合現(xiàn)實頭顯設備，以及基于微軟混合現(xiàn)實技術開發(fā)的多款應用程序。但是Hololens直到2016年底才開始預購上市，并且價格昂貴，這也是制約混合現(xiàn)實技術發(fā)展的主要原因之一。

1.4 全息投影

全息投影技術，又稱為虛擬成像技術，是一種基于干涉和衍射原理實現(xiàn)物體三維圖像的記錄與再現(xiàn)的技術。我們所熟知的全息投影技術的應用主要在演唱會上。在2010年，日本著名的虛擬偶像初音的首場演唱會就是通過全息投影技術實現(xiàn)的。2013年，周杰倫在自己的演唱會上利用全息投影技術實現(xiàn)了與鄧麗君隔空對唱。但是，這些應用在演唱會上的所謂“全息投影”并不是真正的全息投影技術，它們真正的名字叫佩伯爾幻像，雖然它與真正的全息技術產(chǎn)生的效果有一定的相似，但與真正的“全息投影”相差甚遠。佩伯爾幻像是一種巧妙的光學錯覺技術，它使用一種傾斜到不同角度的光學材料來折射光源以形成特定的視覺效果，觀眾只能在特定的角度觀看，而真正的全息投影不需要一個特殊的介質就可以在上面的空氣中顯示圖像，并且不會影響任何角度的清晰度，而且人還能從畫面中穿過。我們經(jīng)常在科幻電影中看到這樣的場景：演員輕輕揮一下手，眼前就會出現(xiàn)一塊虛擬的屏幕，屏幕上的內容不僅可以自由地切換，甚至可以與數(shù)千英里以外的人進行面對面的交談，這就是真正的全息投影技術。

目前全息投影技術大多停留在實驗室階段，“介質”問題極大地限制了全息投影技術的發(fā)展，像電影中我們看到的全息投影顯示技術距離現(xiàn)實生活還很遙遠。商詢科技CTO鄔浩曾在關于混合現(xiàn)實技術的演講中說到，裸眼看到的全息畫面，這才是將來的趨勢，現(xiàn)在所有眼鏡式的3D虛擬技術，都是為實現(xiàn)全息投影的一個過渡技術，全息投影技術才是真正我們需要的技術。

1.5 CG電影

CG電影是指電影本身在真實場景中拍攝，主要由真人現(xiàn)場表演、但運用許多虛擬場景和特效的電影。通常的技術手法是利用CG技術在傳統(tǒng)電影中添加虛擬場景、角色、事物和特效，以達到真假難辨和增強視覺效果的目的。隨著CG技術的不斷完善，CG技術已成為電影特效制作最常用的技術之一，在電影后期制作中占據(jù)較大的比例。在強大的CG技術的幫助下，技術人員可以毫無違和感地做出在現(xiàn)實生活中無法實現(xiàn)的真實場景，通過人臉置換技術有效地解決演員在一些專業(yè)動作上的欠缺。在電影《復仇者聯(lián)盟》中就使用了大量的CG特效，制作團隊根據(jù)紐約的照片，用強大的CG技術打造了一個虛擬而逼真的紐約市，演員在攝影棚內搭設的綠幕背景前表演，后期制作將真實內容與CG特效結合起來，實現(xiàn)了以假亂真的紐約大爆炸場景。

2 三維虛擬仿真技術在互聯(lián)網(wǎng)營銷中的應用

2.1 虛擬看房

虛擬看房主要是利用虛擬現(xiàn)實技術（VR），在移動終端或顯示器上三維立體地查看房間。該技術致力于打造足不出戶，就有親臨現(xiàn)場般的看房體驗，改變了以往通過售樓處和房產(chǎn)中介看房的模式，給購房和租房者帶來了很大的便捷，現(xiàn)在已廣泛應用于房產(chǎn)行業(yè)。2018年4月鏈家網(wǎng)推出了一款房產(chǎn)平臺“貝殼找房”，它的獨特之處就在于自主研發(fā)的VR看房功能，這是VR三維虛擬仿真技術在中國房產(chǎn)領域的首次大規(guī)模應用。打開貝殼找房APP上的VR房源，點擊屏幕上任意位置即可獲得包括房屋真實空間尺寸、朝向、遠近等信息，還能了解到小區(qū)周圍的教育、醫(yī)療等配套信息。同時，貝殼找房中還具有講解以及和房產(chǎn)經(jīng)紀人實時連線交互的功能，大大提高了看房的效率。

在技術層面上，VR看房使用了配備結構光傳感器的拍攝設備，將結構光投射在真實空間中，通過拍攝采集空間中的結構光形態(tài)特征，從而獲得真實空間的三維點云數(shù)據(jù)、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和多曝光高清晰度彩色照片。這些數(shù)據(jù)和照片也將實時返回到服務器，后期使用三維重建技術和算法，自動進行模型構建、智能空洞填補、全自動數(shù)據(jù)提取，以及HDR優(yōu)化等，就可以得到用戶在手機上看到的真實空間。貝殼找房副總裁惠新宸說，貝殼找房的拍攝技術已經(jīng)比較成熟，比如100 m2的房間，只需要40 min即可完成拍攝。VR看房的出現(xiàn)，不僅為消費者提供了更高品質的移動終端看房體驗，而且節(jié)省了消費者的時間、精力和成本，可以做到隨時隨地想看就看。更為重要的是，VR看房功能的推出有助于推動VR產(chǎn)業(yè)的再次繁榮和應用落地。

2.2 虛擬看車

虛擬看車技術是利用AR技術，通過3D建模、渲染，以最大程度地為用戶還原展示汽車的真實效果，將車輛三維真實化地顯現(xiàn)在屏幕上。AR看車功能可以720°的觀察汽車的外觀和內飾，還可以查看車輛道路模擬數(shù)據(jù)、車輛參數(shù)等信息，為用戶帶來了不一樣的瀏覽體驗。AR看車功能打破了傳統(tǒng)選車購車只能通過圖片瀏覽及逛4S店的模式，實現(xiàn)720°無縫立體真實汽車瀏覽，車輛性能線上體驗，運用技術手段滿足了用戶選車和購車的需求。2017年，汽車之家推出了AR看車功能，不僅可以三維立體地展示汽車的外觀、內飾、空間等，而且可以模擬汽車在道路上行駛的狀態(tài)，對車輛變速、制動、轉向、減震、上坡等車輛性能進行數(shù)據(jù)展示。

在技術層面上，AR看車技術在手機攝像頭的幫助下，能夠將汽車模型實時地放置在真實空間中，實現(xiàn)與真實環(huán)境更好的融合效果，看起來就像在真實環(huán)境中一樣逼真。使用SLAM技術，可以達到環(huán)繞查看、遠近透視的效果；結合手勢交互，隨意擺放、控制，還可實現(xiàn)車身換色、模擬路跑等功能。汽車之家董事長兼CEO陸敏表示，將AR技術應用到汽車咨詢和數(shù)據(jù)平臺是汽車之家在技術應用方面的一個重要進展，使用增強現(xiàn)實技術可以增強汽車的展示和提升用戶的體驗，降低經(jīng)銷商的營銷成本，提升效率。

2.3 虛擬網(wǎng)購

虛擬網(wǎng)上購物技術是利用計算機圖形系統(tǒng)和輔助傳感器來生成交互式的三維購物環(huán)境，可以給消費者帶來沉浸式的購物體驗。三維虛擬購物被認為是融合傳統(tǒng)購物和網(wǎng)上購物的有效形式，前者受時間和地點及有限商品的制約，后者則受限于商品的真實性和適用性，兩者的結合開創(chuàng)了一種新的購物模式，讓消費者在虛擬購物世界中看到的一切都像在實體店看到的一樣真實。Buy+是淘寶推出的一款全新的功能，它是利用VR技術真實還原購物場景的一款應用，通過手機APP和佩戴VR眼鏡，人們可以試穿衣服、試戴配飾，甚至可以選擇心儀的家具擺放在自己的家里查看效果，大大提升了網(wǎng)購的體驗，旨在與商家一起構建一個VR生態(tài)網(wǎng)購系統(tǒng)。

在技術層面上，VR網(wǎng)購利用TPMS三維建模技術實現(xiàn)快速建模，采用高性能的渲染還原技術，利用TMC三維動作捕捉技術捕捉消費者的動作，并從虛擬環(huán)境中得到反饋，從而實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實中的交互。簡單來說，這種動作捕捉系統(tǒng)實現(xiàn)了消費者與虛擬世界中的人和物直接進行交互。同時，未來的VR購物也會增加聽覺和觸覺等五感的模擬技術，給虛擬購物體驗的升級帶來無限可能。

3 結語

伴隨著各種虛擬現(xiàn)實設備的批量上市，虛擬仿真在2016年迎來了爆發(fā)式增長，特別是虛擬現(xiàn)實技術在近兩年的發(fā)展勢頭迅猛，有一種說法稱“2016年是VR元年”，可見虛擬現(xiàn)實的火爆程度。面對如此炙手可熱的新市場，中國科技企業(yè)及相關機構也給予了相當?shù)闹匾暋?016年，虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會在北京召開，旨在推動全球虛擬現(xiàn)實與3D成像、顯示技術及行業(yè)應用的深入發(fā)展。根據(jù)華爾街對金融市場的分析，到2030年VR的市場份額將達到1 100億美元，在智能設備的所有類別中排名第二位。回看過去的發(fā)展，PC經(jīng)過30年的發(fā)展才完全進入到人們的生活中，其市場銷量在2010年已經(jīng)達到頂峰。而智能手機只用了5年的時間里就超過了PC過去20年的銷量，從2007年起，智能手機行業(yè)經(jīng)過9年的發(fā)展達到了一個高增長的時期。這說明智能設備滲透市場的速度在不斷加快。未來包括VR、AR以及所有虛擬仿真技術領域的智能設備將不斷地涌現(xiàn)，必然會顛覆人們的生活方式。虛擬仿真行業(yè)能否超過智能手機的市場份額，讓我們拭目以待。

虛擬仿真雖然前景明朗，但仍存在許多局限性和不足。首先虛擬仿真缺乏行業(yè)標準和規(guī)范，內容呈現(xiàn)形式多樣，沒有統(tǒng)一的標準，各種虛擬現(xiàn)實設備之間還無法實現(xiàn)資源共享和互聯(lián)互通。然后就是虛擬終端設備良莠不齊，好的設備價格昂貴，很少有人愿意花太多錢只是為了“娛樂”一下；價格便宜的設備，體驗效果不佳，根本達不到用戶的需求。我國雖然從事虛擬仿真領域的公司有幾百家，但大多都是技術類的創(chuàng)業(yè)團隊，對行業(yè)的商業(yè)模式和應用落地并沒有成型的構建，產(chǎn)品化能力還比較欠缺。再就是各個方向的發(fā)展不均衡，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的研究團隊比較多，硬件和軟件方面成果顯著，市場應用也比較廣泛；而混合現(xiàn)實和全息投影則發(fā)展得比較緩慢，大多技術還停留在實驗室階段，需要投入大量的人力、財力來加快發(fā)展，實現(xiàn)真正的裸眼3D虛擬的目標，將是未來發(fā)展的方向。目前虛擬仿真行業(yè)仍處于起步階段，供應鏈及配套還不夠成熟，但其發(fā)展前景廣闊，未來的市場潛力巨大。每一項科學技術的更新迭代都代表著新的機遇，虛擬仿真技術作為一個新的產(chǎn)業(yè)，必將開啟一個新的時代。