徐一夫

摘 要 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種交互式仿真技術(shù)，其通過多種手段帶給用戶以沉浸式體驗(yàn)，并被認(rèn)為是繼電腦、手機(jī)之后的新一代計(jì)算平臺。文章簡要介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)的演進(jìn)歷程，主要技術(shù)方向及所遇到的技術(shù)瓶頸，并以此引出對VR技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的敘述，最后展望了VR技術(shù)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；發(fā)展階段；3I特征；應(yīng)用現(xiàn)狀

中圖分類號 TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）224-0122-02

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種數(shù)字化環(huán)境，它以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主干，并綜合利用了仿真、多媒體、并行處理、圖形渲染、屏顯等多種技術(shù)，以求在視、聽、觸感等方面與一定范圍內(nèi)的真實(shí)環(huán)境高度近似。VR技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)最具潛力的發(fā)展學(xué)科之一。

VR概念、思想的形成從產(chǎn)生萌芽到獨(dú)立發(fā)展，經(jīng)歷了近一個世紀(jì)的時間。如今隨著社會生產(chǎn)力和科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，各行業(yè)對VR技術(shù)的需求空前旺盛，且隨著芯片等技術(shù)的提升，VR成本大幅下降，并逐漸走入我們生活的方方面面。本文擬就VR思想的形成、VR技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用、研究現(xiàn)狀與問題等進(jìn)行簡要闡述。

1 VR思想的形成與發(fā)展

VR思想從萌芽期到成熟期，先后經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段。

1.1 VR技術(shù)的前身（1963年以前）

在人類數(shù)千年探索自然的過程中，對認(rèn)識、模擬自然的渴望早已有之。而如今，隨著技術(shù)的發(fā)展及生產(chǎn)生活的需要，對可以模擬自然、進(jìn)而助人類更好地適應(yīng)和利用自然的科學(xué)方法和科學(xué)技術(shù)的需求更是日趨強(qiáng)烈。在此背景下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其概念則隨著技術(shù)的發(fā)展而不斷演化。

VR技術(shù)與仿真技術(shù)息息相關(guān)，其起源最早可追溯至中國古代的有聲風(fēng)箏?！赌印攩枴酚涊d：“公輸般竹木為鵲，成而飛之，三日不下”，風(fēng)箏的擬真、互動等行為便是仿真技術(shù)在人們生活中的應(yīng)用的實(shí)例。

經(jīng)歷漫長歷史，發(fā)明家Link？E？A于1929年發(fā)明飛行模擬器，使乘坐者實(shí)現(xiàn)對飛行的感官體驗(yàn)；其后Heileg？M于1956年開發(fā)出Sensorama（一種仿真摩托車系統(tǒng)），并于1962年為他的“Sensorama？ Simulator”？申請專利。Sensorama具有三維顯示及立體聲效果，并能產(chǎn)生振動感覺；Sensorama？ Simulator則已經(jīng)具有一定VR技術(shù)思想。電子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)小型化，也推動了仿真技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)學(xué)科也逐步形成。此階段的VR技術(shù)，蘊(yùn)含了虛擬現(xiàn)實(shí)的思想，處于概念和技術(shù)的醞釀階段。

1.2 VR技術(shù)的發(fā)展階段（1963—1989）

20世紀(jì)60年代，Ivan？Sutherland教授在其論文中闡述了有關(guān)計(jì)算機(jī)交互的內(nèi)容。1965年他發(fā)表的論文the？ultimate？display（終極顯示）提出了著重于感覺、交互雙重真實(shí)的新式人機(jī)協(xié)作理論，推動了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，也為數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器（HMD）等設(shè)備的研究帶來啟發(fā)。1973年Myron？Krurger教授提出“Artificial？ Reality”，這是早期出現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)詞匯；80年代中期，VR領(lǐng)域頻有大事件發(fā)生，如美國陸軍和美國國防部高級項(xiàng)目和研究計(jì)劃局（DARPA）共同實(shí)施的SIMNET（SIMulation？NETworking）計(jì)劃以及VPL公司Lanier？J提出的“Virtual？Reality”一詞。SIMNET計(jì)劃大獲成功，開創(chuàng)分布式交互仿真技術(shù)研究與應(yīng)用之先河；而“Virtual？Reality”很快被研究人員普遍接受，成為該領(lǐng)域的專用名詞。

1.3 VR理論的完善及全面應(yīng)用（1990年至今）

1990年在Dallas召開的SIGGRAPH會議上，就？ VR技術(shù)做出了大量討論，并提出VR技術(shù)研究的主要內(nèi)容，如高分辨率顯示技術(shù)等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，人類生活、工作的方式也因移動終端等的出現(xiàn)而改變。幾年前，F(xiàn)acebook？收購Oculus標(biāo)志著VR產(chǎn)業(yè)井噴時期的到來，2016年更是被稱為“VR元年”。

2 VR技術(shù)的分類與基本特點(diǎn)

2.1 VR技術(shù)的分類

VR涉及學(xué)科眾多，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，系統(tǒng)種類繁雜，這是由其研究對象、研究目標(biāo)和應(yīng)用需求決定的。從不同角度出發(fā)，可對VR系統(tǒng)做出不同分類。

2.1.1 方式一：沉浸式體驗(yàn)角度

沉浸式體驗(yàn)分為非交互式體驗(yàn)、人—虛擬環(huán)境交互式體驗(yàn)和群體—虛擬環(huán)境交互式體驗(yàn)等幾類。

該角度強(qiáng)調(diào)用戶與設(shè)備的交互體驗(yàn)，相比之下，非交互式體驗(yàn)中的用戶更為被動，所體驗(yàn)內(nèi)容均為提前規(guī)劃好的；即便允許用戶在一定程度上引導(dǎo)場景數(shù)據(jù)的調(diào)度，也仍沒有實(shí)質(zhì)性交互行為，如場景漫游等，用戶幾乎全程無事可做；而在人—虛擬環(huán)境交互式體驗(yàn)系統(tǒng)中，用戶則可用過諸如數(shù)據(jù)手套，數(shù)字手術(shù)刀等的設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，如駕駛戰(zhàn)斗機(jī)模擬器等，此時的用戶可感知虛擬環(huán)境的變化，進(jìn)而也就能產(chǎn)生在相應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界中可能產(chǎn)生的各種感受。

如果將該套系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、多機(jī)化，使多個用戶共享一套虛擬環(huán)境，便得到群體—虛擬環(huán)境交互式體驗(yàn)系統(tǒng)，如大型網(wǎng)絡(luò)交互游戲等，此時的VR系統(tǒng)與真實(shí)世界無甚差異。

2.1.2 方式二：系統(tǒng)功能角度

系統(tǒng)功能分為規(guī)劃設(shè)計(jì)、展示娛樂、訓(xùn)練演練等幾類，如：規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)可用于新設(shè)施的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可大幅縮短研發(fā)時長，降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)效率，城市排水、社區(qū)規(guī)劃等領(lǐng)域均可使用，如VR模擬給排水系統(tǒng)，可大幅減少原本需用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的經(jīng)費(fèi)；展示娛樂類系統(tǒng)適用于提供給用戶逼真的觀賞體驗(yàn)，如數(shù)字博物館，大型3D交互式游戲，影視制作等，如VR技術(shù)早在70年代便被Disney用于拍攝特效電影；訓(xùn)練演練類系統(tǒng)則可應(yīng)用于各種危險環(huán)境及一些難以獲得操作對象或?qū)嵅俪杀緲O高的領(lǐng)域，如外科手術(shù)訓(xùn)練、空間站維修訓(xùn)練等。

2.2 VR技術(shù)的特點(diǎn)

VR技術(shù)特點(diǎn)的經(jīng)典概括為“3I”，即沉浸感（immersion）、交互性（interaction）和構(gòu)想性（imagination）。

沉浸感指VR環(huán)境對人體感官的欺騙性，包括視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺等，從而使體驗(yàn)者具有極強(qiáng)臨場感；交互性指VR環(huán)境提供使用者以人性化操作界面和自然反饋；構(gòu)想性是指在沉浸感和交互性加持下，由環(huán)境狀態(tài)和交互行為的變化引導(dǎo)參與者對未來產(chǎn)生構(gòu)想。

近年來，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)等的興起，源于對圖像、視頻等的學(xué)習(xí)的高校建模手段成為熱點(diǎn)，虛擬環(huán)境自適應(yīng)性的提升成為新一代亟待解決的難題，在此情況下，“智能化”或許將成為指導(dǎo)未來VR技術(shù)研究的重要特征。

3 VR關(guān)鍵技術(shù)與瓶頸

3.1 VR硬件

1）顯示設(shè)備。典型設(shè)備有頭盔顯示器。通過安裝其上的頭部運(yùn)動跟蹤裝置，HMD可實(shí)現(xiàn)對用戶頭部當(dāng)前姿態(tài)的準(zhǔn)確捕捉，并計(jì)算相應(yīng)的虛擬對象位姿，顯示在HMD屏幕上。如谷歌的Cardboard、三星和Oculus聯(lián)合設(shè)計(jì)的Gear？VR。此外，3D立體眼鏡、全息和環(huán)幕等也屬于主流VR顯示設(shè)備。

2）VR芯片技術(shù)。VR芯片的研發(fā)已成為國際著名芯片廠商搶占的熱點(diǎn)之一，典型代表包括高通驍龍835、845等，系列產(chǎn)品在3D？畫面、3D？音頻、空間定位以及手勢辨識等方面不斷優(yōu)化；國內(nèi)廠商如華為也在2017年9月2日推出了全球首款A(yù)I芯片麒麟970。

3）VR力觸覺交互設(shè)備。相應(yīng)研究目前還處于初級階段，目標(biāo)是使參與者在VR環(huán)境中實(shí)現(xiàn)觸覺、力覺等更為高級的感覺。國際上典型成果如芬蘭Linjama等、NOKIA實(shí)驗(yàn)室與劍橋大學(xué)等分別實(shí)現(xiàn)的表面觸覺反饋系統(tǒng)，可在觸摸屏表面實(shí)現(xiàn)觸覺紋理的再現(xiàn)。

3.2 VR軟件

VR軟件技術(shù)包括數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用軟件系統(tǒng)等。在VR環(huán)境中，場景需要實(shí)時繪制，大量虛擬對象需要在分類保管的數(shù)據(jù)庫中實(shí)現(xiàn)保存、使用和更新；應(yīng)用軟件系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)VR技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，用戶選取合適的工具包，再由軟件系統(tǒng)完成幾何、運(yùn)動、聲音等方面的建模。

3.3 VR技術(shù)的不足

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展迅猛，但仍存有許多問題。如硬件設(shè)備難以滿足市場需求，計(jì)算機(jī)處理能力及速度十分有限，這在很大程度上限制了VR設(shè)備的擬真程度；應(yīng)用領(lǐng)域局限，新成果多應(yīng)用于軍事、科研等領(lǐng)域，工業(yè)及民用領(lǐng)域應(yīng)用率低；此外，現(xiàn)階段VR技術(shù)難以達(dá)到真正的擬真效果，用戶在運(yùn)動頻率偏大時難以避免地產(chǎn)生眩暈等不良反應(yīng)，直至目前仍無有效解決手段。

4 VR的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

自VR技術(shù)產(chǎn)生之初，即受到多個行業(yè)的高度關(guān)注，如為軍事及航天領(lǐng)域研制的分布式虛擬戰(zhàn)場環(huán)境及哈勃望遠(yuǎn)鏡的維修訓(xùn)練系統(tǒng)等，均取得令人滿意的成果。今天的VR更被應(yīng)用在多個領(lǐng)域，如教育、交通等，并收獲了可觀的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

4.1 VR在工程中的應(yīng)用

由幾百萬零件組成的波音飛機(jī)，對建造技術(shù)提出極高要求；為實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品設(shè)計(jì)與性能評價，“虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境”技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這便是一個VR技術(shù)基于制造業(yè)的經(jīng)典應(yīng)用。在城建領(lǐng)域，VR也取得了大量成果，如我國浙江大學(xué)開發(fā)的虛擬故宮系統(tǒng)；此外，VR在核工業(yè)、石油、水電等領(lǐng)域也取得一定成就。

4.2 VR在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

2003年初，第一軍醫(yī)大學(xué)完成國內(nèi)首例女虛擬人的數(shù)據(jù)采集，在此之前，VR技術(shù)已在全球醫(yī)療領(lǐng)域取得一定進(jìn)展。醫(yī)生可借助VR系統(tǒng)進(jìn)行外科手術(shù)模擬，或通過虛擬的醫(yī)療手術(shù)治療系統(tǒng)對患者進(jìn)行遠(yuǎn)程治療。

近年來，VR也在文化教育、游戲、影視等領(lǐng)域受到人們歡迎。可以說，VR技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀十分樂觀。

4.3 VR技術(shù)的發(fā)展趨勢與前景展望

在各種領(lǐng)域的設(shè)計(jì)上，VR環(huán)境下的產(chǎn)品研發(fā)已成為企業(yè)必須直面的問題，其設(shè)計(jì)速度高、消耗資源少、所需操作人員少的優(yōu)良特點(diǎn)已得到廣泛關(guān)注。要實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)，仍需解決開發(fā)過程中的“知識熔合”（Knowledge？Fusion）問題，即將多領(lǐng)域知識嵌入產(chǎn)品開發(fā)過程中，以及從根本上實(shí)現(xiàn)VR產(chǎn)品模型的精確性、可靠性與普適性，使企業(yè)最大程度獲益。

在醫(yī)學(xué)上，醫(yī)學(xué)虛擬系統(tǒng)的完成將是21世紀(jì)極有意義的一項(xiàng)挑戰(zhàn)；在文化教育方面，VR的應(yīng)用可解決硬件資源的不足，并便于學(xué)習(xí)者進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬訓(xùn)練等多元學(xué)習(xí)內(nèi)容；工程領(lǐng)域，VR也具有廣泛的發(fā)展前景，并持續(xù)吸引著工業(yè)界及資本市場的目光。

VR源于實(shí)際，又是現(xiàn)實(shí)世界的“強(qiáng)化”版本，其蘊(yùn)含著大量未知，潛能無限，必將在21世紀(jì)對人類產(chǎn)生極為廣泛而深遠(yuǎn)的影響。

5 結(jié)論

歷經(jīng)60余年的發(fā)展與演進(jìn)，VR技術(shù)已初具雛形，并得到了一定范圍的應(yīng)用。由于其獨(dú)特的不可替代性，各國均建立了支持VR技術(shù)的長期戰(zhàn)略，如英國發(fā)布的“2015—2020年8個新興科學(xué)技術(shù)集群的戰(zhàn)略報告”，有6項(xiàng)涉及VR內(nèi)容；我國頒布的《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》也將VR列為信息領(lǐng)域優(yōu)先支持的3個方向之一。雖然距離建立真正的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)仍有較大距離，但隨著基礎(chǔ)理論的進(jìn)步與技術(shù)層面的不斷突破，可以樂觀地預(yù)測VR技術(shù)的全面突破。它正向著滿足人類不同層面需求的方向發(fā)展，并終將無處不在。

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