虚拟现实技术应用模式研究

温晓君

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）融合了多媒体技术、传感器技术、新型显示技术、互联网和人工智能等多领域技术，是新一代信息技术的集大成者。虚拟现实通过构建或向真实世界叠加三维虚拟环境，向使用者提供逼真的感知体验和较为自然的交互服务，极大地拓展了人们的认知疆域，是人类认识世界和改造世界方式的一次颠覆式变革。作为未来众多行业创新应用的基础平台，虚拟现实已逐渐渗透到军事、工业、文化、民生等各个领域，对各行业产品的形态、功能，服务的内容、模式等产生深远影响。2017年我国虚拟现实产业市场规模同比增长164%，市场规模总额高达160亿元。未来虚拟现实将撬动上万亿美元产值，成为经济新旧动能转换和产业结构转型升级的重要动力之一。

一、虚拟现实的内涵及意义

（一）虚拟现实是对客观世界的易知、易用性改造

虚拟现实简化了人类对客观世界的认知过程，从而解放了人类的想象力和创新力。具体体现在：一是抽象事物的具象化，如一维、二维和多维事物的三维投影，以及信息数据的可视化建模等；二是观察视角的自主化，使得人类首次突破空间物理尺寸、时间维度和观察视角的局限，开展增强式观察、全景式观察、自然动态观察等，并重塑世界观；三是交互方式的自然化，摒弃了传统的键盘、鼠标、触控等输入输出方式转而手眼协调的自然方式人機交互。

（二）虚拟现实是人类主观能动性的延伸

与人工智能直接改造机器使其完成人脑任务不同，虚拟现实技术的直接作用对象依然是“人”而非“物”。它以人的认知体验为基本评判依据，通过加之于“人”的影响，产生对“物”的间接改造。因此，从生产的角度来说，虚拟现实并没有改变生产工具本身，而是提高了人类使用生产工具的能力和效率。

（三）虚拟现实拓展了现实世界的维度和广度

从虚拟世界和真实世界的融合程度划分，虚拟现实技术可分为狭义的虚拟现实（VR）、增强现实（Augmented Reality，简称AR）以及混合现实（Mixed Reality，简称MR）。虚拟现实带来的绝不仅仅是显示方式、视觉体验的进步，或是增加一种娱乐的内容和方式，它更多地是通过与互联网、物联网的结合，打破时空局限，拓展形成与真实物理世界并行的人类“第二世界”。虚拟世界、真实世界、人（包括多人）在其中互动交互、相互作用，并具备时间维度的成长性，从而实现真实世界与虚拟世界的辩证统一。

（四）虚拟现实重塑经济、社会、文化发展形态

虚拟现实打破了由时间和空间的稀缺性所形成的商业价值链，推动了新的商业体系形成。作为未来互联网的重要入口，企业可以借助虚拟现实手段，为用户提供产品展示、个性化设计定制，甚至对产品进行远程故障排除，在提升售后服务质量的同时，大大节约了售后服务成本。此外，虚拟现实还将改变医疗、教育等民生领域的经济形态，有效缓解了社会公共资源不均衡问题。虚拟现实极具表现力和冲击力的体验感受，也使其成为文化价值输出的大国利器，对扩大本国文化的全球影响力意义重大。

（五）虚拟现实已成为信息技术、信息产业发展的风向标

从技术的角度看，虚拟现实作为多学科、多技术高度融合的系统性科学，其自身形成了感知、建模、呈现、交互四大类技术集群，并与信息通信设备、软件、互联网、人工智能等领域的技术交叉互补、互为牵引，已成为信息技术创新和应用突破的风向标。从产业的角度看，虚拟现实产业在核心技术创新、软硬件产品研发、内容生产、生态体系构建等方面提出了更新、更高的要求，代表了系统化、体系化创新的发展理念，必将成为整个信息产业未来稳增长、调结构、促转型的重要着力点。

二、重点行业领域虚拟现实技术应用模式分析

目前，全球虚拟现实在B端行业应用市场已渐成燎原之势，前期应用领域主要包括军事、制造、教育、医疗、文化艺术、旅游等。行业应用的快速渗透和效益拉动，将为虚拟现实产业的真正爆发提供不竭动力。

（一）军事：有效提高战场生还率

虚拟现实在武器系统的设计和性能评价、操作训练、大规模军事演习及战役指挥等方面发挥了重要作用并产生了巨大的经济效益，同时有效地降低了意外伤亡事故。据统计，未参加过实战的飞行员在首次执行任务时生还率只有60%，而经模拟对抗训练后，生还率可提高到90%以上。美军利用“虚拟舰艇作战指挥中心”仅需5个月就能培训出合格军官。未来，军事领域仍将围绕提高这三类虚拟系统能力展开，进一步开发包括战场环境数据融合与输出建模（包括地形绘制、天气描述、运动和传感、武器系统与效应、自主兵力部署等）、分布式多维武器系统交互等应用场景。

（二）制造：打破二维平面思维桎梏

虚拟现实技术在制造业的设计研发、装配、检修、培训等环节已经实现初步应用。

在设计研发环节，虚拟现实技术可以展现产品的立体面貌，使研发人员能够全方位设计产品的外形、结构、模具及零部件配置使用方案，特别是在飞机、汽车等大型、精密装备原型样品的研制过程中，有效提升设计效率。福特公司自2000年以来就开始将虚拟现实应用于汽车设计过程，目前已将虚拟现实置于汽车开发的核心位置；法国达索公司开发了虚拟现实通用设计平台，波音公司采用该平台设计了波音777和787型飞机的三百多万个零部件，使得设计错误修改量减少了90%、研发周期缩短了50%、成本降低了60%。

在装配环节，虚拟现实技术主要应用于精密加工和大型设备的装配，通过高精度设备、精密测量、精密伺服系统与虚拟现实技术的协同，实现工件、加工环境、加工系统之间的精准配合，将系统误差和随机误差降到极低的水平。操作人员在产品原型实际加工之前就可以全方位地检查零部件之间的装配间隙和干涉，也可通过程序自动检查装配状态，可以大大提高实际装配成功率并降低零件制作返工率。中国一拖集团采用我国本土企业曼恒数字研发的“数字化虚拟现实显示系统”打造出虚拟装配车间，可实现360度内部全景漫游，既能多角度观察每个装配工位，又能精准跟踪装配工件的生产工艺流程，为我国大型农业装备制造行业发展注入了技术创新的活力。

在设备维护检修环节，虚拟现实技术应用于复杂系统的检修工作中，能够实现从出厂前到销售后的全流程检测，提高服务效率、拓展服务内容、提升服务质量，将制造业服务化推向新的阶段。美国福特公司联合克莱斯勒公司与IBM合作开发了应用于汽车制造的虚拟现实环境，在汽车出厂前可以检验出其存在的设计缺陷并辅助修正，在汽车出厂后，还可以通过远程数据传输构建虚拟可视化检修环境，实现远程的预判性和实时性的检测维修服务。

在培训环节，通过利用虚拟现实技术建立虚拟培训基地，能够立体展现制造场景，帮助学员通过全方位的感知体验，获取高仿真的、可重复的、低风险的学习体验，有利于制造业从业人员提前熟悉制造场景、提升应用技能。当前，已经有许多国内外企业运用虚拟现实技术开展培训工作。英国皇家装甲公司采用虚拟现实技术，对14.5吨的新型车辆进行车辆训练模拟，实现了对专用车型驾驶员的操作培训。

未来，虚拟现实尤其是增强现实技术应用的逐渐成熟，实现大型物理系统与信息交互系统的实时感知和动态控制，打通从设计到制造再到服务的链条，为智能制造的发展提供强有力的支撑。

（三）教育：革新知识获取的渠道和交互方式

虚拟现实技术在教育领域的应用主要包括科学研究、虚拟学习环境、人体模型仿真等。虚拟现实通过提供生动逼真、沉浸性和交互性的体验，有助于营造“自主学习”的环境，实现由传统的“以教促学”的学习方式向学习者自主感知并与环境信息交互汲取知识、技能的新型学习方式转变。未来，虚拟教育、虚拟课堂等应用将更加普及，虚拟现实技术将会更广泛地应用于学习情景的创设，大幅提升学习内容的形象性和趣味性。

（四）医疗：术前规划精准施治

虚拟现实技术在医疗健康领域的应用主要包括学习培训、手术模拟、精神康复质量等方面。通过提供具有真实感的环境和实时的触觉反馈，虚拟现实技术可以帮助医生提高手术的熟练度和成功率，虚拟出有效的康复训练计划帮助病人实现术后康复，帮助培训者快速地掌握医学要领。未来，虚拟现实在人体病理模型建模、药物研制开发等方面还将大有可为。

（五）文化艺术：提升文艺鉴赏、创作的想象空间

虚拟现实在文化艺术领域的应用主要包括通过数字手段进行文物古迹复原、文物和艺术品展示，提供虚拟场景进行雕塑、立体绘画等艺术创作，以及作为一种新型工具来进行建筑设计、汽车设计和室内设计。作为传输显示信息的媒体和新型设计工具，虚拟现实可以将艺术动态化，将设计者构思变成看得见的虚拟物体和环境，将不复存在的文物进行复原展示，并大幅提高表现能力，为文化艺术发展带来无限想象空间。

（六）旅游：基于虚拟现实游戏架构下的国际化产业

虚拟旅游是在现实旅游景观基础上充分利用虚拟现实技术，通过模拟或还原现实中的旅游景区构建虚拟旅游环境，向旅游者提供虚拟体验的旅游形式。虚拟旅游可细致逼真、生动地再现旅游景点的风光风貌，带来虚拟导游、地图导航、酒店预订、社区、虚拟古迹等方面切实可观的效益。爱尔兰、菲律宾等一些国家的旅游部门和众多著名的旅游公司，如STA Travel、Starwood、Hyatt等均在Second Life、OpenSim、Project Wonderland等虚拟现实游戏中开发了虚拟旅游市场，吸引游客将其作为旅游目的地。截至2015年底，全球旅游网上交易共达130亿美元，而且其增长速度甚至高于IT行业。

三、虚拟现实行业应用模式总结

由上述领域应用分析得出，虚拟现实在行业端应用的共性结合点可归纳为三个方面：一是规划决策，二是设计评价，三是训练体验。虚拟现实的行业应用一定从高端装备制造、原型产品设计、流程仿真、高端虚拟平台服务等高附加值行业或价值链的高端环节兴起，新技术系统应用增加的成本须与所获得的效率之间达成权衡。

同时，虚拟现实产业应用发展的重点在于构建跨领域融合开放的产业生态体系，促进资源共享和协同创新。作为典型的跨界融合领域，虚拟现实基础层面与物联网、工业互联网、云计算、大数据等紧密联系，产品层面与智能手机、可穿戴设备、智能家居、智能汽车等智能设备息息相关，应用层面与智能制造、智慧医疗、智慧教育、智慧交通等领域关联密切，任何单一的企业均无法涵盖虚拟现实从技术、产品到应用的全产业链。上述分行业应用的成功案例中，开放生态体系的搭建包括三个层次：一是底层基础资源共享，包括高校、科研院所、企业间核心技术和核心软硬件资源的合作；二是产业链的深度合作，包括行业事实标准体系的建立，产业链环节的互动和开放式协同创新等；三是建设经济上可持续、可维持的应用系统，通过智能终端融合应用、传统产业融合应用、互联网平台的融合应用来控制成本、提高盈利。

四、促进虚拟现实行业应用的措施建议

从全球看，虚拟现实在基础技术方面仍存在一些共性难点和问题，全球企业都在寻找更可行的新技术和新方案，虚拟现实的技术体系和商业模式处于不断发展演进中。作为一个新兴领域，国内外虚拟现实产业目前发展基本同步，国外企业加快发展的同时，国内企业也在积极布局跟进。这就为我国电子信息行业提供了同步参与国际创新、同台竞争、跨越式赶超的机遇，而行业应用的深入开展，既是中国特色“互联网+”的细化创新，同时也为《中国制造2025》战略实施提供了强有力的保障。为此，提出以下建议。

（一）强化顶层设计，面向行业需求规划应用路径

定义和构建若干典型应用场景，明确应用需求，分步、有序推进虚拟现实技术在各行业领域的融合应用。推动虚拟现实在设计研发、检测维护、操作培训、营销展示等环节的应用，提升辅助设计能力和制造服务化水平。将虚拟现实应用于协同制造、远程协作等方面，建立生产过程数据采集和分析系统，实现生产进度、现场操作、质量检验、设备状态、物料传送等生产现场数据的可视化管理，提高制造执行、过程控制的精确化程度。推进虚拟现实在产品全生命周期各环节和企业管理各方面的应用，实现设计、工艺、制造、管理、物流等环节的集成优化，推进企业数字化设计、装备智能化升级、工艺流程优化、精益生产、可视化管理、质量控制与追溯、智能物流等方面的快速提升。

（二）加强重点攻关，尽快突破行业应用技术瓶颈

组织产、学、研、用各机构多方面力量解决关键共性技术问题，鼓励开发具有更好使用体验的创新型产品。突破工业互联网信息三维空间的注册定位、建模、搜索、显示与交互等核心技术。提升虚拟现实主控芯片、微显示器、高端传感器供应能力。加快虚拟设计、虚拟装配制造、虚拟检测维修、虚拟培训等软件及工具包的开发及产业化。构筑大数据和虚拟现实相结合的智能服务云平台，提升产业自主创新能力和融合创新能力。

（三）制定标准规范，开展行业应用联合测试验证

推动建立虚拟现实技术、产品和系统评价指标体系，开发相应的评价工具，保障虚拟现实产品性能和质量。构建基于虚拟现实技术的信息物理系统参考模型和综合技术标准体系。推动工業级虚拟现实软硬件标准，以及工业互联网设备、产品之间标识解析、数据交换、安全通信等标准的制定。建设虚拟现实应用测试验证平台和综合验证试验床，开展兼容适配、互联互通和互操作等测试验证。

（四）推进试点示范，以点带面扩大行业应用范围和影响力

推广宣传典型示范案例，提高相关企业、产品和品牌影响力，进一步推动其市场化应用。面向汽车、钢铁、高端装备制造等重点行业，设立若干基于虚拟现实的智能制造应用示范区，打造智能制造单元、智能生产线、智能车间、智能工厂，通过应用验证反馈完善系统功能。培育一批系统解决方案供应商，组织开展行业系统解决方案应用试点，为中小企业提供标准化、专业化的系统解决方案。

（作者系中国电子信息产业发展研究院电子所副所长）