虚拟现实技术行业发展及应用探讨

邓桂美

(广州南洋理工职业技术学院 建筑工程学院，广东 广州 510900)

1 引言

随着计算机软件和硬件技术的不断发展，一项崭新的综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、语音与识别技术、软件工程、人工智能工程、立体显示技术以及仿真技术等多种科学知识,发展起来的虚拟现实技术，为人们的生活、学习、娱乐提供了各种新的可能性和体验性。各大企业把虚拟现实技术和自身企业的优势相结合，研发出新的技术和新的产品，使虚拟现实在现在的日常生活中，逐步被人们所认识和熟悉。

2 虚拟现实技术的重要特征

虚拟现实是有效地模拟人在自然环境中视觉 、听觉、触感等行为的高级人机交互技术 ,它以模拟的方式为参与者创造了一个虚拟的现实空间。这个虚拟的现实空间是实时反映实体对象变化与环境相互作用的三维图像世界。能够让参与者有视觉 、听觉、触感、嗅觉等感知行为的逼真体验,使参与者可直接参与和探索虚拟对象所处环境的作用和变化 ,让参与者仿佛置身于现实世界中, 产生沉浸感(immersive)、交互性(interactive)和构想性 (imagination)，这正是虚拟现实技术的最突出的特征 。例如,体验者进入一个虚拟现实构造的建筑空间中, 会看到一栋栋高低形态各异的建筑 ,也能听到的园林景观中水景“哗啦、哗啦”的流水声;当向建筑物走近时, 推开建筑的门，进入到建筑内部，可以看到建筑物室内的装潢设计，天花吊顶的造型，地面瓷砖的花式等。可以说人处在虚拟环境之中跟现实环境是没有差别的[1]。

2.1 沉浸感

沉浸感可以360度自由观察虚拟现实的环境。一般的计算机图形可以提供的是二维或三维的局部图形，或者是预先设定好的固定路径，人们必须要根据局部图形，相互组合想象出具体的“想象空间”。“想象空间”给人的感觉是片面的，局部的，不具体，有差异的，不完整。虚拟现实可以为人们提供完整统一的虚拟现实环境。当人们戴上头戴式的显示器，进入虚拟现实环境，可以在虚拟现实环境中抬头看到天空，低头看到草地，观察周边的整体环境，参与者能以自然 、直接的方式与计算机进行人机数据交互;利用虚拟现实的沉浸功能, 用户暂时隔离现时真实的环境，投入到虚拟的现实环境中，从而得到人们在虚拟现实环境中的真实体验感。

2.2 交互性

参与者通过输入设备，力触觉(Tactical Haptics )、手势模拟(Feel Three)、可穿戴控制器(Control VR )、眼跟踪(Eyefluence)、头跟踪(Gestigon)、全向跑步机(Cyberith)等设备和虚拟现实环境互动。设备识别参与者的身体动作和姿势，其通过与参与者进行包括视觉、声音、触觉、运动姿势等全感官的信息交互，实现虚拟现实环境下的交互性指令的输入，用人类在自然环境中学习到的技能，实现对虚拟现实环境的考察和操作。例如 ,参与者在虚拟的现实环境看到一个柜子，就可以用手去直接“打开”虚拟现实环境中的柜子的柜门。当参与者握住“柜门的扶手”时，手会有真实的触感 ,轻轻推开“柜门”，可以看见到“柜门”从关闭到打开的形态变化，手拿起柜子中的物体时，被抓住的物体也会随着手的移动而移动。参与者与虚拟现实环境之间，可以进行多维信息的交互作用 ,参与者与虚拟现实环境的交互性表现在，参与者的操作将使虚拟的现实环境发生变化。

2.3 构想性

构想性又称想象性，是指虚拟现实环境可使人沉浸其中并且获取新的知识, 提高感性和理性认识, 从而深化概念并萌发新意，进一步激发人的创造性思维。在传统的工程设计场景中，用户具有对“过去需求”和“当前设计”的综合需要，设计成品更多的是工程师脑海中的想象。通过虚拟现实，用户可以轻易的获得“未来的成品”预览，能够对当前的工程设计进行更完善的构想。

3 虚拟现实VR技术的应用

3.1 文化娱乐

虚拟现实技术在文化娱乐方面运用最广泛和被大众所熟悉。 虚拟现实游戏的概念最早出现在网络文学中。头戴式显示器(HMD：Head Mount Display)进入游戏世界，让虚拟现实游戏变得更加接近于现实，虚拟现实游戏中的场景逼真的、360度沉浸式的现实在游戏者眼前。如三星、Facebook瞄准虚拟现实游戏为游戏未来发展的方向，并宣称虚拟现实将成为未来的计算平台。从国家知识产权局专利检索及分析，国内虚拟现实游戏专利申请，在2014年之前都很少，虽然2001年就出现了1件申请，但截至2014年，总共才申请13件；从2015年开始，陆续有虚拟现实的游戏申请出现，2016年虚拟现实游戏的申请量出现了爆炸式增长。仅2016年共申请28件，比历年的总和还有多，2017年持续翻倍增长，共申请了45件，考虑到 2018 年的专利申请还没有完全公开，估计2018年的申请量依然会持续上升，可以不夸张的说，从中可以看出，最近3年，无论是中国还是全球，VR 游戏的申请量都得到了一个快速增长。预计未来 10 年，VR 游戏都将保持高速发展(图1)。

图1 各平台VR消费内容总数

3.2 军事仿真

随着现代科技水平的不断发展提高，现代战争的综合性越来越强，耗资越来越巨大，而在和平时代，很多国家都在减少国防的投入。虚拟现实技术通过对战场环境的模拟与构建、单兵实战训练以及军事指挥人员的训练，极大地优化了指挥控制系统的构建及评估效率，缩短了新型指挥控制系统的开发周期，以及新型装备的评估周期，是加速推动 军队现代化的强有力的途径之一。军事仿真模拟和虚拟现实训练，因为可以帮助缩减训练费用，提高训练次数，增大训练人员范围，较少的安全隐患的优势得到大力的发展。目前VR理论与技术已日臻完善，尤其在以美国为首的欧美国家[2]。在20世纪80年代初，美国的国防高级研究计划局(DARPA：Defense Advenced Research Projects Agency)为坦克编队作战训练开发了一个实用的虚拟战场系统 SIMNET[3]。士兵可以在虚拟现实的环境中做出各种复杂的姿势和动作，还可以如同在真实训练场上一样使用各种枪支弹药。出于训练的需要，系统还能评估士兵在虚拟战场的受伤程度，并通过回访功能观察士兵在训练中的表现。指挥官则能够在这一可控的军事模拟现实系统中更方便的实时掌握士兵的战场情况，结合作战需求及时调整作战方案和编队结构。从而提高士兵的个人能力和指挥官的综合能力。

3.3 教育教学

虚拟现实技术是运用计算机等设备对现实世界进行全面仿真的技术，能够创设逼真的虚拟三维学习场景，满足学习媒体的情境化及自然交互性的要求，在教育教学领域有着广泛的应用空间[4]。大规模开放在线课堂：中国大学MOOC的出现为虚拟现实提供了广阔的需求和条件。政府鼓励通过MOOC远程学习、资源共享等方式，可以部分解决教育资源分配不均、地域隔离等教学问题，这为虚拟现实的应用提供了应用条件。传统MOOC的缺点是远程教学很难实现师生间的互动功能，虚拟现实可以为师生提供了一种“身临其境”的虚拟互动，弥补师生缺少互动的缺点，增进教学效果和质量。

另外虚拟现实还可以实现传统教学场景难以提供教学体验。传统教学场景受限于场地、器材、成本消耗等，难以提供规模宏大、成本昂贵或危险性偏高的各种实验环节。虚拟现实通过沉浸感和交互性，可以为师生直接提供可交互的三维立体空间，将学习者置于主动学习的中心地位，体验传统教学无法提供的场景。北京师范大学于 2016年3月18～24日举办了“2016北京师范大学‘智慧学习与VR教育应用学术周’”，体验“八大行星”“火灾逃生”等场景。VR教育应用案例的分析表明,VR有七大教育功能:体验、探究、训练、矫正、交流、创作与游戏。VR具备重塑教育的潜力,但VR大范围变革教育的路还很长[5]。

虚拟现实在教育领域也面临着问题和挑战。首先是目前虚拟现实设备昂贵，短时间内无法大规模普及。另外教育类的虚拟现实App数量繁多，出现了许多教学模式和方法，如Varlet、Manuel；Filippeschi、 Alessandro等学者提出基于人际关系的协作学习模式(Coordination Model)；Dodd、Bucky.J、Antonenko 等学者的桌面虚拟现实在线学习管理系统； Rupasinghe、Thashika.D等学者的虚拟现实培训综合课程[6]。当前没有标准、系统的VR教材，制作VR教材和教案的技术和成本要求都很高，无法做到像传统电子教案那样可以由教师经过简单培训后即可制作属于本人的电子教案。可以看出虚拟现实在教学教育领域仍然处于初级阶段，但其已经展现出足够的潜力，虚拟现实广泛应用于教学教育领域是未来发展的趋势之一。

3.4 工程设计

虚拟现实技术在工程设计与分析上同样有着很大潜力和需求。传统的工程设计的较大缺陷是设计师和客户体验脱节，客户描述的需求在工程师理解后产生的偏差只能通过下一次迭代修补，通常一个工程设计从需求到完工需要若干个迭代，迭代之间也会产生更多的偏差，沟通成本、失败风险随之升高。虚拟现实技术可以让客户在描述需求后，设计师实时提供“三维虚拟景象”供双方参考,通过同步双方的视觉体验，大大提高沟通效率和设计效率，从而节约成本降低失败风险。

虚拟现实技术在工程设计上发展迅速，具体的技术和应用包括：英伟达(NVIDIA)的全息甲板平台Holodeck该平台提供逼真的协同设计功能，团队各成员可以共同思考创意、规划设计、建立模型、验证及测试解决方案，然后反复共同修改并完善作品。

建筑信息模型技术BIM(Building Information Modeling)近年来在国内外得到迅速普及应用，是建筑行业信息化的重要途径，虚拟现实和BIM的三维信息技术有着密切关联，能进一步提升BIM的应用潜力。比如在施工团队进场前，施工、设计、监理等各团队可以通过虚拟现实技术仿真整个施工方案，所有成员均可以获得统一的项目全貌，降低由于各团队成员因为传统沟通方式引发的理解偏差。所有人通过共同参与，反复推演优化方案，极大提高沟通效率和降低返工风险。将BIM与VR技术应用于城市地下工程中,通过BIM软件revit绘制虚拟环境中的质量模型样板,再经过3ds MAX软件做灯光、材质等渲染处理,制作动画,渲染导出avi格式动画视频,最后结合暴风魔镜vr软件实现沉浸式的动态漫游,解决了地下工程施工空间有限以及各类管线错综复杂而容易引起的施工安全与质量问题[7]。

虚拟现实在工程设计方面处于起步阶段，仍然面临不少问题。 首先，是虚拟现实在构建虚拟仿真环境过程复杂，如HoloDeck等平台，需要受过专业训练的VR技术人员负责。有学者提出集成虚拟现实环境(VR-IDEA)[集成虚拟现实环境在工程设计分析中的应用], 通过简单且可以重复利用的脚本语言实现虚拟环境的构建工作，对比目前设计上常用的CAD等技术，该技术依然有一定的技术复杂性。随着技术发展，目前已经有商业公司提供专用易用的VR工具套件给工程设计人员使用，如针对BIM套件的BIMite，BIMVR Lab等。由于缺乏工业标准以及技术的普遍性，通用的VR工具仍然处于发展探索阶段。其次，目前虚拟现实为工程设计带来的投入和收益不成比例。设计人员、开发人员投入大量时间和精力构建的虚拟场景，仅仅让用户体验一次“现场”之旅，产生收益有限。

4 结语

虚拟现实在文娱(游戏、视频)、教育教学等行业已经具备相当的技术和用户基础，具备大规模发展的潜力和基本条件。在工程设计方面，虚拟现实拥有足够的发展空间和技术积累。但虚拟现实为各行业带来巨大收益前，还需要进一步降低硬件成本，提高用户认知水平，降低构建虚拟场景的技术门槛，使虚拟现实能够跨越投入和收益的平衡点，成为一项成熟稳定的应用技术。随着信息化的发展虚拟现实具有更广阔的应用并且创造更大价值。