虚拟现实技术及其应用探究

李良志

摘 要：近年来，虚拟现实技术发展迅速。国内外科学家的潜心研究使得虚拟现实技术不断完善，有关研究成果层出不穷。此外，虚拟现实技术已经开始应用于人们生产生活中的各个领域，与原有技术有机结合，为产业的发展注入了新的活力。本文综述了虚拟现实技术的概念、历史和技术原理。并就其在游戏、建筑、医疗等领域的应用做了介绍，最后对其发展进行了展望。

关键词：虚拟现实;环境模拟;应用

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）03-0030-02

1 虚拟现实技术的简介

1.1 虚拟现实技术的概念

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR），又称灵境技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对VR技术的需求日益旺盛。VR技术也取得了巨大进步，并逐步成为一个新的科学技术领域[1]。

1.2 虚拟现实技术的发展

虚拟现实技术被认为是当前及将来影响人们生活的重要技术之一。[2]二十世纪三四十年代，一位小说家在他的小说中提出了相关构想。其后就有人以此构想为基础，研究出了相关技术并申请了专利。在此之后，虚拟现实技术不断发展。头部显示器HMD及头部位置跟踪系统相继问世，并且有关的虚拟现实系统也很快被研发出来。至此，人们已经可以利用相关穿戴设备实现初步的虚拟体验。

时至今日，虚拟现实技术已经被不断完善并开始应用于各个领域。在诸如游戏军事医疗等领域中，虚拟现实技术都有着巨大的应用价值。随着时代的进步，科技的发展，VR穿戴设备的质量也在不断提高，价格在逐渐降低，便于其走向寻常大众的生活。虽然目前虚拟现实技术在普通人的生活中还很少见，但是多数人已经可以通过周边的虚拟现实体验馆对其有个初步了解。其发展历程如图1所示。

2 虚拟现实技术原理简介

为了实现人的虚拟体验，虚拟现实技术需要完成信息的采集，三维环境的模拟，以及虚拟环境的呈现等任务。

2.1 信息的采集

信息的采集主要是指利用传感器技术将人体的行为信息转换为计算机语言输入计算机的过程.其核心技术为传感器技术，即利用光，声，热等传感器将采集到的人体行为转换为相关数据并传递给计算机的过程.举个例子说，如果我们想要采集人的语言信息，如人说“我和你”时，虚拟现实技术就要利用声传感器等将捕获的语言信息“我和你”转换为一个数据流输入计算机。总而言之，信息的采集过程主要以传感器技术为核心实现行为信息到计算机数据的转换。

2.2 虚拟环境的模拟

当信息采集并传递给计算机后，进一步的过程便是利用计算机分析采集到的信息并以此为依据进行虚拟环境的模拟。在这个过程中，采集到信息会被计算机系统接收与理解，然后通过计算机实时建模即进行虚拟环境的模拟，使模拟现实系统真实表达瞬息万变的现实世界。想要模拟出一个“真实的”虚拟世界，其核心问题是解决好视、听、力、触、体、味等方面与现实世界类似的VR内容的有机组合，然后由计算机系统构建并呈现出一个模拟的虚拟世界。本过程的目的是模拟现实世界并进行模拟建模，模型越加贴近现实，效果自然就好，这也是目前虚拟现实技术专家前进的方向。

2.3 虛拟环境的呈现

完成虚拟环境的模拟后，便要想方设法将构建的虚拟世界反馈给人体。这个过程可以简单理解成信息采集过程的反过程，即让人体采集计算机信息。换言之，就是将所谓的计算机语言再次转换成行为信息，使人觉得自己正处在一个“现实”环境中。该过程的实现需要依靠VR的相关硬件，如头盔显示器、3D立体眼镜等设备。当人体接受信息，便可进一步做出反应，再通过上述过程，再次实现人机互动，多次的拥有沉浸感的互动便构成了人在虚拟环境的活动过程。其实，虚拟现实技术的核心是计算机技术及其延伸技术，利用这些技术实现人与虚拟环境之间的交互给人以沉浸感，便实现了虚拟实现技术的初步要求。

3 虚拟现实技术在某些领域的应用情况

由于虚拟现实技术具有交互性和仿真性等特点，其在各个领域都具有广泛的应用前景，下文仅就其在游戏、医疗、建筑等领域的应用进行介绍。

3.1 游戏领域

虚拟现实技术在游戏领域具有非凡的应用价值，凭借虚拟现实技术所具有的沉浸式体验与交互性特点，游戏开发商利用其开发出的相关游戏软件，具有较寻常游戏更加良好的游戏体验感。由于虚拟现实技术具有3I特征（沉浸、交互、想象），因此可以给广大游戏爱好者带来全新的感受[3]。通过穿戴设备，玩家的机体动作可以随时被计算机捕获转换为数据输入虚拟现实系统，虚拟现实系统随及做出处理对虚拟现实环境进行修改，再将新的虚拟现实模型传递给所有的用户，用户通过身上的转换设备即可客观感受到虚拟环境的变化，随后人的肌体在接受了相关信息后又可再次做出回应。例如，玩家在游戏过程中收到了攻击，其相应的身体部位就会受到刺激，产生对应的疼痛感，当然这并不会造成真正的伤害，但其带来的主观感受感却可以很大程度上满足玩家的需要。目前的虚拟现实游戏可以基本上实现上述过程，但是还远远达不到《头号玩家》中绿洲的那种程度。不过随着技术的进步，在不久的将来一切都有可能实现。

3.2 医疗领域

基于虚拟现实技术的仿真性，其在医疗领域的应用价值是不可忽略的。诊断层次上，利用虚拟诊断可以在一定程度上减少误诊的几率，通过信息采集系统可以将采集到的人体信息储存在电脑里，并以此为基础构建起数据库。将各种人体信息显示在数字人身上，构成虚拟仿真人体模型，可以使诊断达到直观化、可使化、精确化的效果，简单地说，当虚拟现实技术达到一定程度上，医生可以以一种“上帝”的视角了解病人的情况，轻触构建的数字人模型，便可获得相关的详细信息，便于医生作出诊断。手术层次上，可以利用虚拟手术系统制定更加合理的手术方案并使手术过程简易化。当数据人模型建造出来后，我们可以将这个数据人在一定程度上等效为现实世界的病人。医生可以以数据人的医学影像评估病人的实际情况，并在细节层面上把握病人的病灶信息，然后拟定手术方案，在手术方案制定后，还可以进一步进行调整与优化。如可以利用计算机构建的虚拟环境中进行预手术，按照预手术的情况，评价原手术方案并进行修改，以此可以使手术方案愈加合理化，从而提高手术的成功率。而在实际的手术过程中，尤其是一些显微手术。虚拟现实技术可以实现精微手术的宏观化。即通过虚拟手术系统将手术部位放大，医生按照放大后的常规手术操作即可，同时，由显微机械手来实现医生宏观操作的细微化，以期达到精准微创的效果，大大降低了手术的操作程度。医疗教学层次，众所周知，临床手术是需要进行训练的，而在现实世界上，手术训练是难以开展的，但在虚拟世界中，虚拟手术系统可以为医疗从事者提供这样的机会，在观看相关手术教学后，医疗人员可以拿虚拟世界中的数字人进行手术操作验证自己的所得并发现不足，进一步改正操作。通过在数字人身上的反复演讲、学习，提高操作熟练度，避免不必要的医疗事故与损伤。

3.3 建筑领域

虚拟现实技术在建筑领域也有着广阔的应用。设计方案层次上，在拟定建筑设计方案的过程中，工程师需要考虑设计的合理性、成本、美观等多个方面，利用虚拟现实技术可以帮助工程师制定出更加合理可行的方案。当工程师的设计方案起草完成或犹豫计划的下一步骤该如何进行时，可以先将设计方案输入虚拟现实系统中，在虚拟世界上对设计方案执行，这样可以直观地呈现出设计结果，工程师可以以此为基础对设计方案进行修改或进一步决定下一步设计方案。建筑施工层次，在设计方案制定化，建筑施工方不必急于落实方案，可以根据目前的人力、财力、物力，在虚拟空间内进行设计方案的预实施，通过虚拟施工的情况合理规划实际施工过程人力、物力、财力的分配，从而实现施工过程的优化，争取以最小的人力、物力、财力的消耗，最短的工期，最高的效率完成计划的施工。建筑外观层次，考虑到当今时代人们对建筑的要求不仅局限在功能层面上，还涉及审美领域，对建筑方案施工后的成果有个最起码的外观估计是有必要的。而这正是虚拟现实技术在建筑领域适用的又一价值所在。在实现设计方案和施工方案的优化后，可以对最终的方案进行一次虚拟执行来了解施工成果的外观情况，并以此结果来决定方案是否进一步修改，执行还是摒弃。

4 虚拟现实的发展趋势及展望

虚拟现实技术近些年发展迅速，在理论研究、技术创新、系统开发和应用推广方面都取得重要发展，显示出巨大的发展潜力和广阔的应用前景。[4]但是虚拟现实技术目前仍存在一些没有彻底解决的关键性技术障碍，相关设备价格也过于昂贵，应用领域不够广泛。如何解决好这些问题是当前及未来几年里科学家们奋斗的方向。相信随着虚拟现实技术的进一步发展和相关设备价格的逐渐降低，虚拟现实技术必定会走向实用化和平民化。

参考文献

[1] 赵蔚，段红.虚拟现实软件研究[J].计算机技术与发展，2012（02）：229-233.

[2] 卞锋，江漫清，桑永英.虚拟现实及其应用进展[J].计算机仿真，2006（06）：1-4.

[3] 孟庆玉，张静远，宋保维.鱼雷作战效能分析[M].国防工业出版社，2003.

[4] 赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学，2009，39（1）：2.