虚拟现实技术的研究现状、热点与趋势

黄冠 曾靖盛

摘   要：近年来，在以科技创新等为大背景的新时代，国内对虚拟现实技术的研究已成为热點。文章选择用Citespace可视化分析软件对2015—2020年CNKI数据库中刊载的虚拟现实相关文献的数据来源进行统计分析。文章以定量研究的方法，基于软件提供的知识图谱系统对所选文献进行处理，综述虚拟现实技术在教育、医疗、军事等各大领域的研究现状、热点及趋势，并多角度分析虚拟现实的研究趋势，以期为相关研究人员提供一定的参考和借鉴。

关键词：虚拟现实技术;知识图谱;现状;热点;趋势

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2022）10-0049-09

一、引言

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是20世纪90年代发展起来的一种以计算机技术为核心的新技术，通过对计算机图形技术、多媒体技术、传感技术、实时技术、人工智能、仿真技术等的结合，使参与者置身于集视觉、听觉、触觉、味觉等于一体的三维虚拟环境中，借助特殊的输入输出设备，用自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互，产生沉浸感。[1]

在科技创新的大背景下，虚拟现实技术已经在各大领域发散开来，本研究通过对国内虚拟现实相关文献进行统计并进一步分析，得出虚拟现实2015—2020年的研究领域、热点及发展趋势，以期为后续研究提供一定的参考与借鉴。

二、研究设计

（一）数据来源与选择

中国知网（CNKI）作为一个综合性数据库，其收录的文献完备，检索方式科学，检索结果准确，能够确保数据来源的客观全面。因此，本研究的数据来源是中国知网（CNKI）数据库，并以“虚拟现实”为关键词或者以“虚拟现实技术”为关键词或者以“VR”为关键词进行检索，检索开始日期设置为2015年，检索范围设置为学术期刊，期刊来源选择“北大核心、CSSCI、CSCD”。截止到2021年3月1日，共检索到相关文献1697篇，通过筛选1544篇文献作为此研究的数据样本。

（二）研究工具与方法

随着科技的发展，文献统计分析软件层出不穷，本研究则选择以准确、高效、便利著称的Citespace进行文献分析。Citespace通过分析数据生成聚类视图和时区视图，时区视图可显示网络节点随时间变化的关系。[2]通过该软件提供的相关功能，设置相应阈值，对虚拟现实相关文献发表的时间分布、作者及其所在的高产机构分布，以及研究热点分布等进行知识图谱分析，并结合对所选文献的阅读，系统梳理出该领域的相关研究现状及热点。

在研究过程中，将定量研究中的实验研究法、调查研究法，定性研究中的内容分析法、行动研究法等相结合，在多元综合研究范式上，运用混合研究等方法，以期达到研究目的。

三、虚拟现实研究时空分布、分析及趋势

（一）虚拟现实技术的时间分布图谱

为考察虚拟现实技术的研究成果，本文对中国知网2015—2020年发表的相关文献进行统计，如图1所示。2015—2017年，发文量增速明显提高，2017—2020年发文趋势稳定，但2020年后，增速再次开始提升，且2017年后的年发文量均超过300篇。基于我国虚拟现实技术被重视的程度以及2015—2020年相关研究的趋势， 2020年虚拟现实相关研究的论文数量突破400篇。2016—2017年的增速相比其余几年来说是最突出的，而2016年也被众多媒体称为VR元年，业界和学界对其研究的增多是当年发文量突增的原因。而之后的一年发文量相对减少，可以看出业界和学界开始对VR进行客观的分析和理性的判断，并有沉淀和反思。[3]赵沁平院士谈到，所谓的“虚拟现实元年”实际上是指，VR技术经过几十年的发展，一些新技术产品进入大众消费领域，新技术、新产品带来的新鲜感促成新的消费市场，巨大的商机引起产业界、投资界及媒体的关注。[4]

（二）虚拟现实技术研究的空间分布图谱

在中国知网的检索结果中，通过计量可视化分析得到虚拟现实的研究高产机构如图2所示。有50余所院校对虚拟现实开展相关研究，积极性最高的还是双一流高校。发文量排在前三位的高校分别是中国传媒大学（40篇）、清华大学（39篇）和北京师范大学（29篇），其次是上海大学（28篇），紧随其后的数所院校发文量则在20篇左右。

运行Citespace软件，选择时间切片为一年，节点类型为“Institution”，Selection Criteria选择g-index，设置Top N=50、k=25，可视化类型选择“Timezone View”，得到2015—2020年虚拟现实研究机构的时序视图。视图中的数据显示，2017年中国传媒大学对虚拟现实的研究尤为突出，接着是中国人民大学和清华大学，但是各高校之间合作不多。2018年上海大学上海电影学院成为核心节点，随后是理工科实验室和院校加入此领域的研究。2019年的核心节点为中国传媒大学戏剧影视学院，接着仍然是理工类院校，此外医学类院校也开始对虚拟现实进行研究。2020年首都医科大学护理学院成为核心节点，理科类院校和实验室的研究减少。通过对每年机构核心节点院校的分析研究可以看出，2019年以前，新闻学院和电影学院尤为热衷对虚拟现实领域的研究，其中中国传媒大学能够持续关注，研究成果颇丰，成为2015—2020年机构时序的核心节点。2019年以后医学类院校逐步成为研究的主力军，新闻与电影学院研究急剧减少。整体来看，我国虚拟现实技术的研究领域开始逐步扩大，知名院校率先进行相关研究，随后各类高校和社会机构也加入研究，研究发展迅速，联系也更加紧密。研究机构的多样化和大众化说明虚拟现实技术的研究开始在各领域发展开来，虚拟现实技术的应用开始逐渐深入到社会的各行各业。

基于2015—2020年对虚拟现实研究领域发文作者的研究，通过可视化分析软件生成作者共现知识图谱。其中发文量最大的谢嘉成有8篇，接着是王学文发文量为7篇，尹勇、方驰华、吕健等发文量均为6篇。可见高产作者数量不多，且高产作者间联系不紧密，谢嘉成和王学文是机构内合作发文，其余作者发文较少且极少合作。从高产机构与高产作者进行分析，发文量靠前的四位作者中，谢嘉成和王学文的研究领域是综采装备，尹勇的研究领域是船舶工业，方驰华的研究领域是医学教育，其所在的研究机构也不尽相同。可见虚拟现实未因研究而形成系统、高影响力的机构，各领域间的研究各自为营，缺少合作与交流。这与虚拟现实技术兴起时间短、研究起步相对滞后有关。

（三）关键词分析

关键词是论文中表达主题内容的词或词组，而论文作为科学研究中创造性思想的载体，传递着科研信息。[5]通过对关键词的分析统计可以了解虚拟现实研究的现状与趋势等概况，通过中介中心度的高低则可以了解对应关键词在整个研究网络中的媒介能力以及网络资源控制能力的强弱。[6]中心度和频次高的关键词代表一段时间内研究者共同关注的问题，即研究热点。[7]可视化软件Citespace提供的关键词聚类视图则可以清晰明了地将某领域的热点和发展趋势通过图谱中的节点大小表示出来，节点越大，说明相关主题出现的频次越高，研究热度越大。

运行Citespace软件，选择时间切片为一年，节点类型为“Keyword”，Selection Criteria选择g-index，设置k=25，得到2015—2020年虚拟现实的关键词共现知识图谱。

通过对图谱中的关键词进行统计分析，得到频次排名前25的关键词和中心度排名前25的关键词分布如表1和表2所示。从两表中可看出频次和中心度的关键词并未一一对应，但整体上具有一致性，由此可见，关于虚拟现实的研究在“虚拟现实”“虚拟现实技术”“VR”“VR技术”“增强现实”“人机交互”“Unity3D”“人工智能”“系统设计”“虚拟现实（VR）”等方面尤为重要，是整个研究网络中的关键节点。从关键词可以看出，虚拟现实的研究包含理论和技术等方面，排名靠前的四个关键词则可划分为一类，研究主要集中在虚拟现实技术的内涵、发展、特征、技术研究等方面。增强现实的研究主要体现在虚拟信息与真实事件融合中所运用的多种技术手段等方面，人机交互的研究则侧重于系统与用户之间的交互方面。Unity3D是实现3D互动内容創作和运营的平台，可以应用在虚拟现实设备中，研究包括用户的体验感和系统的开发设计等方面。在用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统研究方面，人工智能是一项新的技术科学，涉及该技术中的理论及技术对用户的沉浸感和交互性等方面。系统设计是根据系统分析的结果，运用系统科学的思想和方法设计满足目标要求的新系统的过程。阅读通过关键词检索得到的文献，可以发现虚拟现实在实际运用中的研究最多，这说明虚拟现实的研究和应用是密不可分的，而不仅仅是停留在理论层面。

聚类标签视图是基于默认视图，通过谱聚类算法生成知识聚类，再通过算法提取相关施引文献中的标签词，从中获取相关研究趋势及热点。[8]本研究中生成的聚类标签主要包含14个聚类，代表2015—2020年虚拟现实的主要研究领域，本文则选择信息量相对较大、节点数相对较多的四个聚类（#1虚拟现实、#4人机交互、#5增强现实、#6人工智能）进行分析研究。

通过对图谱中聚类标签周围的线条密集程度和标签大小可以清晰地看到排在前面的四个聚类，其中图谱中的聚类#0的标签为虚拟现实技术，聚类#1的标签为虚拟现实，聚类#2的标签为VR技术，聚类#3的标签为VR，这几个聚类主要研究该领域下的不同方面，本文将从不同侧面进行阐述。对可视化软件得到的知识图谱进一步整理，梳理出各聚类的研究专题和关键词如表3所示。

1.将聚类#0虚拟现实技术标签以及之后的三个标签作为关键词对2015—2020年的文章进行检索，并阅读相关文献。可以了解到虚拟现实技术的研究集中在计算机软件及计算机应用这一专题，对三维动画、场景构建、应用研究、系统设计等的研究为多。这关涉虚拟现实技术的特点——基于计算机图形技术、仿真技术等多重技术构建虚拟环境，能使参与者产生触觉、听觉等多重感受，并完全沉浸其中。

在煤炭领域，虚拟现实技术也越来越受到重视并在局部开展实验性应用，取得较多的成果，包括虚拟现实场景仿真、教育培训、煤矿装备虚拟现实监测监控、虚拟规划方法、“VR+AR”技术融合设计等方面。[9]

而在医学领域，虚拟仿真、全景视频等的运用，可极大减少人力、物力、财力的耗费。对于医学教学而言，VR技术能够有效地弥补实验教学资源的不足、突破时间和空间限制、充实理论知识的学习、模拟真实场景避免危险。[10]此外，医学领域还将虚拟现实技术用于改善脑卒中后上肢功能、提高生活自理能力效果的研究中。[11]

在新闻业、电影电视业的研究中，研究者通过研究虚拟现实技术在相应领域的发展历程、发展现状、特征，阐述虚拟现实技术与对应领域相结合的可行性及依据，进而开展虚拟现实技术在该领域或行业未来发展方向的研究。在传媒行业，其发展离不开新技术的推动，虚拟现实技术为传媒数字化带来新的机遇。[12]虚拟现实技术因其能产生逼近真实情境的虚拟环境而使读者获得沉浸式体验，为新闻业带来巨大的创新空间。[13]譬如，在VR技术支持下的全景化新闻，可以让受众自由选择观看的视角和内容，使沉浸式信息的获取和消费成为可能。[14]

基于建筑科学与工程专题和船舶工业专题的相关研究大多是以虚拟现实技术为依托，运用Unity3D等软件进行三维建模，通过实验与传统系统设计进行对比，证明系统的可行性、有效性、优点等。正如相关学者的研究中谈到，随着VR技术的发展，其在工业中的应用，既是对工业设计新维度、新方法的探索和实践，又是对VR技术进一步的应用和探讨。[15]

聚类#1虚拟现实的研究集中在虚拟现实的概念以及基于此概念的具体实验和应用，其中教育专题和应用专题的研究居多。教育尤其是基础教育领域，虚拟现实技术的应用还远远滞后于产业技术的发展。[16]因此，教育者应理性分析虚拟现实技术的教育应用潜力，剖析该现状背后的原因，多视角反思存在的挑战，在教育领域更加深入地进行虚拟现实的研究。

2.聚类#4人机交互标签下的研究，包括人机交互、沉浸感、三维重建、遗传算法等关键词。沉浸感、交互性和构想性是虚拟现实的三个基本特征，其中人机交互是虚拟现实技术的核心技术之一，更是为用户提供体验、走向应用的核心环节。[17]可见，该聚类下的研究主要聚焦于界面范式、算法、三维重建、交互任务分析、如何实现交互任务、现实挑战等，研究范围广泛，涉及教育、运输、军事、工业等领域。中国科学院软件研究所人机交互北京市重点实验室的研究者针对虚拟现实中的人机交互技术进行阐述，为通过设备和界面完成既定交互任务提出具体办法，包含三维交互、姿势交互、手持移动设备交互、语音交互、力/触觉交互、多通道交互技术等。[18]相关学者也都围绕其中某一个或多个点的设计和应用展开研究。

3.聚类#5增强现实标签下的研究，包含增强现实、混合现实、可视化、3D打印等关键词。随着科技的不断发展、研究的不断深入，VR、AR、MR等概念也相继提出。增强现实（Augmented Reality，简称AR），是广义上的虚拟现实技术的扩展。[19]是将虚拟的信息应用到真实世界，使真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到同一个画面或空间，并为体验者提供信息交互的技术。通过对相关关键词的论文进行统计、阅读发现，研究主要集中在教育教学领域、数字化传媒领域、医学领域、工程领域，其中关于VR/AR技术嵌入必要性和可行性的应用案例研究颇多，涉及VR/AR教学体验设计的方法，具身认知理论视域下的VR/AR，VR/AR视角下的价值逻辑与行动策略、应用及发展策略、案例述评等。该聚类下的研究将理论与实际运用相结合，范围更为具体、内容更有深度。教育工作者和科研人员结合混合现实在正式教育与非正式教育领域中开展较为广泛的探索和研究，尤其在具体学科教学、创设在线虚拟课堂，以及医疗、建筑、航空航天等领域的技能培训中取得良好效果。[20]

4.聚类#6人工智能标签下的研究主要集中在新闻与传媒专题下，这与人工智能、VR/AR等新技术对传媒业进行新一轮的重构有关。研究围绕人工智能在新闻业的应用、运营环境的变革、发展趋势展开，提出通过智能技术与新闻生产的结合，未来的传媒业生态将实现无边界重构，打造全新的体验，盈利模式等也将多元化。此外，数字图书馆与出版专题下对该领域的研究也如火如荼，主要集中在图书馆技术趋势、信息资源建设、平台开发等方面。

（四）虚拟现实的时序趋势

通过对Citespace的运行，分析出2017—2020年有“威尼斯国际电影节”“应用”“VR”“AR”“沉浸感”等五个突现词，如图3所示，2017年出现的四个突现词，在一定程度上可以看出虚拟现实在国内外均偏向于实际应用的研究。“威尼斯电影节”这个突现词与2017年的研究机构多为传媒大学的新闻学院、电影学院密切相关。2018年出现的“沉浸感”与理科类院校、社会机构等进行的研究相关，说明虚拟现实的运用社会影响广泛，开始转向实际运用中沉浸感和体验感的研究。

四、虚拟现实应用中存在的问题及不足

在大数据、云计算、人工智能等急速发展的今天，虚拟现实技术已经被公认为是21世纪影响人们生活的重要技术之一。但是该技术在发展中遇到的问题也层出不穷，主要表现在以下方面。

（一）教育教学领域

北京师范大学智慧学习研究院相关学者谈到，虚拟现实技术在教育教学中的应用还处于初级阶段，各技术的运用还不够成熟稳定，主要问題有：①分辨率不够，影响沉浸式体验的实现。②缺乏视觉和触觉的反馈，用户戴上设备后无法直接觉察现实世界中的事物。③用户的健康问题，长期使用虚拟现实头显会出现头晕及恶心等症状。④教育资源设计和开发技术门槛高。学科教师很难像专业的设计开发者那样设计和开发虚拟现实资源。虚拟现实技术需要改进，避免高难度的资源开发和设计技术，以方便普通教师按照自己的需求设计相关资源。[21]此外，教育教学理论与该技术的融合还不够深入，在各类教育培训实践需求的对接上存在冗余效应、认知负荷超载、沉浸式体验不足等问题。

（二）医学领域

虚拟现实技术在康复医学治疗领域的不断发展，或将成为一种新型有效的康复医学手段，但就目前的研究来说，仍有诸多不足。包括样本试验小、获益人群不明确、不同患者使用虚拟现实技术有差异、康复训练中该技术的运用体系不完善、设备开发及投入费用高、推广难度大等方面。[22]这些难题都需要医学工作者努力去攻克。

（三）军事领域

随着军事科技的日益精进，虚拟现实技术在军用领域的应用大幅提升，各类问题也接踵而来。在系统实用性方面，现有系统架构与系统功能方面存在较大不足，可提供维修指导的故障数量十分有限，功能限制在单一的维修训练、原理演示、诱导维修等方面，系统集成度不高。在设备上，与单兵军事装备结合不紧密，无法在战场环境中很好地保护士兵;弱化士兵对真实环境的感知能力;使用温度、续航时间、视野范围等性能参数无法适应严峻的战场环境，同时系统也存在缺陷。[23]

（四）工业领域

虚拟现实技术作为工业领域的重要生产工具，在产品设计、虚拟车间、过程模拟、制造规划、生产培训等方面有着不同的应用。但在应用过程中也伴随产生各类问题，如在模拟操作，场景、设备的仿真工艺和展示中，存在脱离实际环境、设备仿真不可控、装备实际运行和虚拟监测监控之间不准确、仿真参数未全面形成体系、仿真参数和真实设备参数之间的对应性差、关联性和融合度都明显不高等问题。[24]

（五）数字化传媒领域

虚拟现实技术在数字化传媒领域实现各种尝试，但在内容的呈现上存在选题单一、展示多于交互、层次较浅或不清等问题。有的作品由于视角和空间被固定，体验感极差，或者仅仅能满足用户的好奇心，无太多新闻价值。有的作品缺少引导性信息等，用户在应用上存在盲目探索现象，又或者信息增量使用不当，影响客户注意力。[25]在技术层面，由于拍摄设备的因素，VR视频画面缝合粗糙、变形严重、视角及图像质量差等问题突出。在用户方面，虽然经过几年的发展，但VR设备的普及率并未大幅提升，甚至出现用户群体流失等现象。在产品制作方面，编辑团队的能力、制作成本及盈利模式均存在不同程度的挑战。

五、虚拟现实的未来研究趋势分析

（一）虚拟现实的内涵、本质等理论研究

国内外对虚拟现实的研究与实践，都突出表明这一科学技术领域仍然存在一系列有待解决的根本性理论问题和关键技术问题，这些问题的任何突破都会导致VR技术的巨大发展及实用化程度的大幅度提高。[26]作为一项新技术，学术界开始将心理学、教育学与其相结合进行研究，如美国学者埃弗里特·M·罗杰斯（Everett M Rogers）提出创新扩散理论。可见虚拟现实的内涵、本质、特性、研究目标等与相关科学技术的形成及发展关系密切，只有对虚拟现实的起源及发展过程有清晰的认知，才能很好地把握虚拟现实的发展。

（二）虚拟现实的实际运用

虚拟现实技术的发展程度、发展速度、应用领域是衡量其实际运用与发展的重要指标。而实际运用则体现在系统设计、实验教学、人机交互、虚拟仿真、沉浸感、全景视频、三维建模、三维重建、遗传算法、建筑信息模型等方面。从这些关键词中可看出虚拟现实技术的研究覆盖社会的各个领域，其研究前景与发展空间空前巨大，但其所面临的困难与阻碍也不容小觑。

系统设计视角下虚拟现实的研究包括规划设计、训练演示、娱乐、展示等方面，其中训练类系统目前主要应用于军事、医疗、采矿、航空航天、船舶制造领域，也是当下和未来的研究热点。规划设计类系统目前多用于城市规划设计、设施新建、设备演示验证等方面，成本低、周期短等突出优点使其在业界的应用日趋兴盛。人们越来越追求生活品质，而娱乐可以反映生活品质提高的程度。虚拟现实技术的沉浸感等特点则能满足用户独特的娱乐需求。而各种运用虚拟现实技术制作的游戏、电影更是短时间内席卷全球大部分地方，虽未完全普及，但这正是未来的发展趋势。

受2019年末突发新冠疫情的影响，国内外各行各业均采用线上方式进行工作与学习，各类线上平台如春笋般崛起，期间各类问题层出不穷。以教育领域为例，线上教育虽然能够做到停课不停学，但教学效果的好坏在社会各界争议极大。其中部分学生的注意力不集中、任务执行力差、课堂互动少、教师无法及时掌握学生的情况并进行评价反馈等问题尤为突出。因此，将虚拟现实技术运用于线上教育、实验教学等方面能否解决以上问题很值得深究。

（三）虚拟现实的实证研究

虚拟现实的实证研究主要聚焦于教育教学领域。例如，在虚拟现实的技术、学习方式、理念、模型、环境或相关学习理论、生态模型等的支持下，对学习者的体验评价、学习机制、影响因素等进行实证研究。教育一直都是各国重视的领域，未来该领域下的实证研究会逐渐增多。

随着研究的深入、科技的发展，未来的虚拟现实技术会在人机交互的基础研究、交互性关键技术等方面取得突破性进展。虚拟景物跟真实景物融合的相关工具及支撑平台的开发研究也极具前景。再者就是虚拟环境的构造及其数据管理和处理等方面。图像识别和图像质量也是目前虚拟现实技术的重要研究内容，其评价方法至今仍未得到很好的解决。在VR应用系统思维开发和物理行为建模方面，也应注重其评价方法的研究，开发各种应用指标的工具，更好地预测问题并满足开发需求。

（四）虚拟现实技术中对学习者情感关注的研究

目前，虚拟现实技术在国内教育中的研究呈现出稳步增加的状态。教育教学中引入虚拟现实技术一定程度上可能会加重情感现象的复杂性。研究内容倾向虚拟现实技术在教育教学中的运用对学生的沉浸感、情感变化、注意力、交互情况、学习效果/结果、情感等的影响。利用多媒体、超文本技术等创设的虚拟教学环境，如语言环境、教育游戏、虚拟内疚等均可以激发和影响学生情感。随着VR技术仿真度的不断提升，高度逼真的临境感也许会加剧虚拟世界中某些负面行为对人的刺激，用户会在现实生活中进行施展。

另外，虚拟现实在数字博物馆/科学馆方面的研究也是一个热点，通过该技术展示文物（文字、图片、录音、录像、藏品等），让学生置身其中，能更好地了解历史，产生情感共鸣，从而使现实中的文物得到保护。[27]

六、结束语

在科技强国的理念下，我国在科技方面的研究投入是相当巨大的，虽然虚拟现实的生态构建、支持体系、政策扶持已经取得一定成效，但仍然有不足之处，亟待完善，我国该领域的研究任重而道远。虚拟现实充满无限活力与挑战，希望社会各界的学者加入此领域的研究，为我国的科技领域达到国际领先水平而努力。

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作者简介：

黄冠，副教授，硕士，主要研究方向为数字传媒、虚拟现实，邮箱：helen1983226@aliyun.com;

曾靖盛，硕士研究生，主要研究方向为教学设计、虚拟现实，邮箱：2829608665@qq.com。

Research Status， Hot Topic and Trend of Virtual Reality

Guan HUANG， Jingsheng ZENG

（College of Education， China West Normal University， Nanchong Sichuan 637000）

Abstract： In recent years， in the new era with the background of science and technology innovation， the domestic research on virtual reality technology becomes a focused issue. This paper uses Citespace visual software to analyze the virtual reality literature published in CNKI database from 2015 to 2020. Based on the Knowledge Atlas System provided by software， this paper deals with conducted quantitative research method， summarizes the research status， hot issues and the future trends of virtual reality technology in education， medical treatment， military affairs and other major fileds. Under this background， this research analyzes the research tendency of virtual reality from many perspectives， to provide a certain implications for related researchers.

Keywords： Virtual reality; Knowledge atlas; Status Quo; Hot topics; Trends

編辑：王天鹏   校对：王晓明