VR技术分析与应用发展

刘文娅

窗体顶端

摘要：虚拟现实技术（VR）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图形技术、人工智能、跟踪技术、仿真技术等于一体，其基本实现方式是计算机模拟一个三维空间的虚拟环境，让体验者在听觉视觉等多感知方面身臨其境，从而给体验者带来环境沉浸感。随着社会科技的不断进步，各行各业对VR技术的需求日益旺盛，可以说，21世纪是VR技术的年代。

关键词：虚拟现实;多感知;三维

中图分类号：TP311    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）25-0241-03

1 VR技术简述

虚拟现实技术（VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。虚拟现实技术就是利用现实生活中的数据，通过计算机技术产生的电子信号，将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象，这些现象可以是现实中真真切切的物体，也可以是我们肉眼所看不到的物质，通过三维模型表现出来。因为这些现象不是我们直接所能看到的，而是通过计算机技术模拟出来的现实中的世界，故称为虚拟现实。

2 VR发展历程

虚拟现实的发展历程经历了四个阶段：

1）第一阶段（1963年以前）有声形动态的模拟是蕴涵虚拟现实思想的阶段。

1929年，Edward Link设计出用于训练飞行员的模拟器;1956年，Morton Heilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama。

2）第二阶段（1963—1972）虚拟现实萌芽阶段。

1965年，Ivan Sutherland发表论文“UltimateDisplay”（终极的显示）;1968年，Ivan Sutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器（HMD）;1972年，NolanBushell开发出第一个交互式电子游戏Pong。

3）第三阶段（1973—1989）虚拟现实概念的产生和理论初步形成阶段。

1977年，Dan Sandin等研制出数据手套SayreGlove;1984年，NASA AMES研究中心开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器;1984年，VPL公司的JaronLanier首次提出“虚拟现实”的概念;1987年，JimHumphries设计了双目全方位监视器（BOOM）的最早原型。

4）第四阶段（1990年至今）虚拟现实理论进一步的完善和应用阶段。

1990年，提出VR技术包括三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术;VPL公司开发出第一套传感手套“DataGloves”，第一套HMD“EyePhoncs”;21世纪以来，VR技术高速发展，软件开发系统不断完善，有代表性的如MultiGen Vega、Open Scene Graph、Virtools等。

3 VR技术特征

三维动画是以脚本的形式存在，没有互动性，所有画面都是由制作者设置好的，在影视行业和建筑广告行业运用较多。而虚拟现实技术具有多感知交互性，简单说就像玩游戏一样，电脑和你是可以互动的。虚拟现实技术现在在游戏里用得比较广泛，其具有以下特征：

1）沉浸性

VR的沉浸感是指用户感同身受作为主角存在于虚拟现实中的真实程度，这是VR技术最主要的特征。影像沉浸感的主要包括感知性、自主性、三维图形中的深度信息、画面的视野、实现跟踪的时间或空间响应以及交互设备的约束程度等。

2）交互性

VR的交互性是指用户对虚拟现实中对象的可操作程度和从虚拟现实中得到反馈的自然程度，包括实时性。主要借助于专用设备（如操作手柄、数据手套等）产生，以自然的方式，如手势、身体姿势、语言等技能，如同在真实世界中一样操作虚拟现实中的对象。

3）多感知性

VR的多感知性表示计算机技术应该拥有很多感知方式，比如听觉，触觉、嗅觉等等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前大多数虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、触觉、运动等几种。

4）想象性

VR的想象力是指用户在虚拟现实世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未来进展进行想象的能力。对适当的应用对象加上虚拟现实的创意和想象力，可以提高生产效率、减轻劳动强度，提高产品开发质量等。

4 VR关键技术

虚拟现实系统提供了一种先进的人机界面，通过为用户提供视觉、听觉、触觉等多种直观而自然的实时感知交互的方法和手段，最大程度地方便了用户的操作，从而减轻了用户的负担、提高了系统的工作效率。虚拟现实的关键技术主要包括：

1）自然交互

VR技术中强调自然交互性，即人处在虚拟世界中，与虚拟世界进行交互，甚至意识不到计算机的存在，即在计算机系统提供的虚拟现实空间中，人可以通过各种感觉方式直接发生交互，这就是虚拟环境下的自然交互技术。目前，与虚拟现实技术中的其他技术相比，这种自然交互技术相对不太成熟。

2）高带宽

现在计算机输出的内容已经可以快速、连续地显示彩色图像，其信息量非常大。而人们的输入却还是使用键盘一个又一个地敲击，虚拟现实技术则可以利用语言、图像及姿势等的输入和理解进行快速大批量的信息输入。

3）智能化

精确化的交互是一种完全说明用户交互目的的交互方式，键盘和鼠标均需要用户的精确的输入。但是，人们的动作或思维往往并不是很准确，而计算机应该理解人的要求，甚至于纠正人的错误，因此虚拟现实系统智能化的界面将是一个重要的发展方向。

4）高度模拟仿真

通过交互作用表示事物的现实性，传统的计算机应用方式中，人机交互的媒介是用符号表示，是对现实的抽象代替。而虚拟现实技术则可以是模拟甚至想象和虚构，他能使用户感到不是在使用计算机，而是在直接与应用对象打交道。

5 VR技术应用

VR涉及学科众多，应用领域广泛，重点研究心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统、电子学和多媒体技术等多学科融合技术，研究医学、娱乐、艺术与教育等多个相关领域的虚拟现实技术和系统。正是虚拟现实技术的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了许多人的喜爱，在各行各业都得到了广泛的应用。

1）在影视娱乐中的应用

近年来，由于虚拟现实技术在影视业的广泛应用，以虚拟现实技术为主而建立的第一现场9DVR体验馆得以实现。第一现场9DVR体验馆自建成以来，在影视娱乐市场中的影响力非常大，此体验馆可以让观影者体会到置身于真实场景之中的感觉，让体验者沉浸在影片所创造的虚拟环境之中。同时，随着虚拟现实技术的不断创新，此技术在游戏领域也得到了快速发展。虚拟现实技术是利用电脑产生的三维虚拟空间，而三维游戏刚好是建立在此技术之上的，三维游戏几乎包含了虚拟现实的全部技术，使得游戏在保持实时性和交互性的同时，也大幅提升了游戏的真實感。

2）在教育中的应用

如今，虚拟现实技术已经成为促进教育发展的一种新型教育手段。传统的教育只是一味地给学生灌输知识，而现在利用虚拟现实技术可以帮助学生打造生动、逼真的学习环境，使学生通过真实感受来增强记忆，相比于被动性灌输，利用虚拟现实技术来进行自主学习更容易让学生接受，这种方式更容易激发学生的学习兴趣。此外，各大院校利用虚拟现实技术还建立了与学科相关的虚拟实验室来帮助学生更好的学习。

3）在设计领域的应用

虚拟现实技术在设计领域小有成就，例如室内设计，人们可以利用虚拟现实技术把室内结构、房屋外形通过虚拟技术表现出来，使之变成可以看得见的物体和环境。同时，在设计初期，设计师可以将自己的想法通过虚拟现实技术模拟出来，可以在虚拟环境中预先看到室内的实际效果，这样既节省了时间，又降低了成本。

4）在医学方面的应用

医学专家们利用计算机，在虚拟空间中模拟出人体组织和器官，让学生在其中进行模拟操作，并且能让学生感受到手术刀切入人体肌肉组织、触碰到骨头的感觉，使学生能够更快地掌握手术要领。而且，主刀医生们在手术前，也可以建立一个病人身体的虚拟模型，在虚拟空间中先进行一次手术预演，这样能够大大提高手术的成功率，让更多的病人得以痊愈。

5）在军事方面的应用

由于虚拟现实的立体感和真实感，在军事方面，人们将地图上的山川地貌、海洋湖泊等数据通过计算机进行编写，利用虚拟现实技术，能将原本平面的地图变成一幅三维立体的地形图，再通过全息技术将其投影出来，这更有助于进行军事演习等训练，提高我国的综合国力。

除此之外，现在的战争是信息化战争，战争机器都朝着自动化方向发展，无人机便是信息化战争的最典型产物。无人机由于它的自动化以及便利性深受各国喜爱，在战士训练期间，可以利用虚拟现实技术去模拟无人机的飞行、射击等工作模式。战争期间，军人也可以通过眼镜、头盔等机器操控无人机进行侦察和暗杀任务，减小战争中军人的伤亡率。由于虚拟现实技术能将无人机拍摄到的场景立体化，降低操作难度，提高侦查效率，所以无人机和虚拟现实技术的发展刻不容缓。

6）在航空航天方面的应用

由于航空航天是一项耗资巨大，非常烦琐的工程，所以，人们利用虚拟现实技术和计算机的统计模拟，在虚拟空间中重现了现实中的航天飞机与飞行环境，使飞行员在虚拟空间中进行飞行训练和实验操作，极大地降低了实验经费和实验的危险系数。

7）在手机行业的应用

国内智能手机市场的竞争是最为激烈，厂商之间的无硝烟战争更是涉及多个领域战况甚是惨烈。现在这种较量已经不局限于手机领域，已经蔓延到了风头正盛的VR行业。不少手机厂商早已纷纷布局了该领域，并先后推出了自家的VR头显设备。

6 VR技术局限

即使VR技术前景较为广阔，但作为一项高速发展的科技技术，其自身的问题也随之渐渐浮现，例如产品回报稳定性的问题、用户视觉体验问题等。对于VR企业而言，如何突破目前VR发展的瓶颈，让VR技术成为主流仍是他们所亟待解决的问题。

首先，部分用户使用VR设备会带来眩晕、呕吐等不适之感，这也造成其体验不佳的问题。部分原因来自清晰度的不足，而另一部分来自刷新率无法满足要求。据研究显示，14k以上的分辨率才能基本使大脑认同，但就目前来看，国内所用的VR设备远不及骗过大脑的要求。消费者的不舒适感可能产生的其对VR技术是否会对自身身体健康造成损害的担忧，这必将影响VR技术未来的发展与普及。

VR体验的高价位同样是制约了其扩张的原因之一。在国内市场中，VR眼镜价位一般都在三千元以上。当然这并非是短时间内可以解决的问题，用户如果想体验到高端的视觉享受，必然要为其内部更高端的电脑支付高昂的价格。若想要使得虚拟现实技术得到推广，确保其内容的产出和回报率的稳定十分关键。其所涉及内容的制作成本与体验感决定了消费者接受VR设备的程度，而对于该高成本的内容，其回报率难以预估。其中对VR原创内容的创作无疑加大了其中的难度。

虽然目前VR技术的发展还不够成熟，存在着许多争议和技术局限性，但随着时间的推移，这一切都会有所改观。虚拟现实技术将会成为一种重要的新媒介和新的平台。

参考文献：

[1] 石宇航.浅谈虚拟现实的发展现状及应用[J].中文信息，2019，（1）：20.

[2] 汤朋，张晖.浅谈虚拟现实技术[J].求知导刊，2019，（3）：19-20.

[3] 笪旻昊.虚拟现实技术的应用研究[J].电脑迷，2019，（1）：53.

[4] 陈沅.虚拟现实技术的发展与展望[J].中国高新区，2019，（1）：231-232.

[5] 涂思危.VR虚拟现实技术发展与应用[J].中国科技纵横，2019，（4）：51-52，55.

【通联编辑：闻翔军】