虚拟现实

来源：好游戏攻略时间：2024-11-22 11:55

所谓虚拟现实，顾名思义，就是虚拟和现实相互结合（采用特定技术生成一个虚拟的情境，但被人以现实的感觉）。从理论上来讲，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，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。

虚拟现实技术受到了越来越多人的认可，用户可以在虚拟现实世界体验到最真实的感受，其模拟环境的真实性与现实世界难辨真假，让人有种身临其境的感觉；同时，虚拟现实具有一切人类所拥有的感知功能，比如听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉等感知系统；最后，它具有超强的仿真系统，真正实现了人机交互，使人在操作过程中，可以随意操作并且得到环境最真实的反馈。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。

1、第一阶段（1929—1962）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。 [3]

2、第二阶段（1963—1972）虚拟现实萌芽阶段

1965年，计算机图形学的重要奠基人[3]Ivan Sutherland发表论文“Ultimate Display”（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]

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；1983年年美国陆军和美国国防部高级项目研究计划局(DARPA)实施SIMNET计划，开创了分布交互仿真技术的研究和应用 [3]；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。 [3]

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(头盔显示器)“EyePhoncs”；

1993年11月，宇航员通过VR系统的训练，成功的完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用VR技术设计的波音777飞机是虚拟制造的典型应用实例；2022年加拿大造船公司Seaspan将3D沉浸式虚拟现实系统（VR）引入船舶设计，使设计师可在VR中实时浏览他们的设计。

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]

2022年12月2日，虚拟现实/增强现实入选“智瞻2023”论坛发布的十项焦点科技名单。

2023年10月19日至20日，由工业和信息化部、江西省人民政府共同主办的2023世界VR产业大会在江西南昌召开。与会专家就“虚拟现实+工业制造”的发展趋势与方向、前沿技术与产业发展、行业融合应用、生态环境建设等热点议题进行交流探讨，进一步推动虚拟现实技术在工业制造领域的创新应用，助力企业实现降本增效。 [4]

小型传感器

简单的光线传感器、距离传感器等小型传感器，抑或者只是计算机界面的模拟应用。但是由于其造价低和门槛低的特点，这种类型的VR技术应用最为广泛。 [5]

沉浸式虚拟现实

比之桌面式虚拟现实 (Immersive VR)，沉浸式虚拟现实则提供更高层次的完全的沉浸式体验，使得用户有一种置身于虚拟世界的感觉。几乎所有沉浸式虚拟现实的分类都是以头盔显示器为关键设备，当然随着科技的发展，业内的趋势是抛弃繁重的头盔设备，转而以眼镜甚至是直接投影在眼球上来代替。沉浸式头盔是一种将使用者与真实环境隔离的先进显示装置，它可以分别为左眼和右眼提供两个既包含平行视差又独立的图像，类似于3D电影的拍摄和播放原理。再加上各种类型的传感器对现实的分别模拟，就能够产生一种极强的立体真实感。这种类型的VR技术是目前影响最广，在可操作的前提下潜力最大的一类。更多的商家也愿意在这一类的VR技术上做投资。 [5]

增强现实性虚拟现实

增强现实性虚拟现实 (Augmented VR)，则是跳出了对现实的模拟和仿真，转而要加强参与者对于真实世界的感受，也就是那些无法感知或者是不方便感知的事物。比如说用户去参加车展，带上相关的设备后看车，车子的各类信息就会在设备上显示出来，这样用户就不必再去询问抑或者查询资料。增强现实是VR技术发展的目标和最终形态，但是受限于相关技术的发展。 [5]

分布式虚拟现实

简单来说，分布式虚拟现实 (Distributed VR, DVR)系统是前面3类的集合版本。分布式虚拟现实系统是指基于网络的虚拟环境，使得位于不同物理位置的多个虚拟环境或者多个用户能够通过网络相连接。虚拟现实系统运行在分布式环境下有两种原因：（1）基于计算机发展的强大的分布计算能力。（2）某些应用本身就具有分布特性的需要，比如，各类网络游戏或者假使分隔在两地的人能够通过VR技术实现“面对面”的交流等。 [5]

虚拟现实的特征

特征

详情介绍

沉浸性

沉浸性是虚拟现实技术最主要的特征，就是让用户成为并感受到自己是计算机系统所创造环境中的一部分，虚拟现实技术的沉浸性取决于用户的感知系统，当使用者感知到虚拟世界的刺激时，包括触觉、味觉、嗅觉、运动感知等，便会产生思维共鸣，造成心理沉浸，感觉如同进入真实世界。

交互性

交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度，使用者进入虚拟空间，相应的技术让使用者跟环境产生相互作用，当使用者进行某种操作时，周围的环境也会做出某种反应。如使用者接触到虚拟空间中的物体，那么使用者手上应该能够感受到，若使用者对物体有所动作，物体的位置和状态也应改变。

多感知性

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。

构想性

构想性也称想象性，使用者在虚拟空间中，可以与周围物体进行互动，可以拓宽认知范围，创造客观世界不存在的场景或不可能发生的环境。构想可以理解为使用者进入虚拟空间，根据自己的感觉与认知能力吸收知识，发散拓宽思维，创立新的概念和环境。

自主性

是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。如当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。

虚拟现实的关键技术

技术名称

技术详情

动态环境建模技术

虚拟环境的建立是VR系统的核心内容，目的就是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要建立相应的虚拟环境模型。

实时三维图形生成技术

三维图形的生成技术已经较为成熟，那么关键就是“实时”生成。为保证实时，至少保证图形的刷新频率不低于15帧/秒，最好高于30帧/秒。

立体显示和传感器技术

虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的设备不能满足需要，力学和触觉传感装置的研究也有待进一步深入，虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高。

应用系统开发工具

虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，选择适当的应用对象可以大幅度提高生产效率，减轻劳动强度，提高产品质量。想要达到这一目的，则需要研究虚拟现实的开发工具。

系统集成技术

由于VR系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技术起着至关重要的作用，集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等。

虚拟现实的技术应用

应用领域

应用详情

虚拟现实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实感。 [2]虚拟现实技术和可穿戴设备的研发降低了体育项目的参与门槛，诸如赛车、国际象棋等运动，选手们可接入服务器“穿越”到世界各地赛场，与各国高手同台竞技。 [9]

虚拟现实在教育中的应用

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的给学生灌输知识，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。 [2]

虚拟现实在设计领域的应用

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，使之变成可以看的见的物体和环境。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。 [2]

虚拟现实在医学方面的应用

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，使学生能够更快的掌握手术要领。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。 [7]

虚拟现实在军事方面的应用

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。 [7]

虚拟现实在航空航天方面的应用

由于航空航天是一项耗资巨大，非常繁琐的工程，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]

虚拟现实在工业方面应用

虚拟现实技术已大量应用于工业领域，对汽车工业而言，虚拟现实技术既是一个最新的技术开发方法，更是一个复杂的仿真工具，它旨在建立一种人工环境，人们可以在这种环境中以一种自然地方式从事驾驶、操作和设计等实时活动。并且虚拟现实技术也可以用于汽车设计、实验、培训等方面，例如在产品设计中借助虚拟现实技术建立的三维汽车模型，可显示汽车的悬挂、底盘、内饰直至每个焊接点，设计者可确定每个部件的质量，了解各个部件的运行性能。这种三维模式准确性很高，汽车制造商可按得到的计算机数据直接进行大规模生产。 [7]

虚拟现实在游戏上的应用

普通的游戏无论是2D抑或是3D都不会产生VR游戏这

般真实的体验，同时由于游戏的普适性，VR技术在游戏上

的应用也是VR技术推广的重要部分，抛弃了鼠标和键盘的

束缚，真正的以玩家为主角中心。VR技术帮助玩家“真实”

实现了自己的梦想，例如使命召唤的VR版本可以让玩家体

验真实的战场，实现普通人的战场梦：STEAM的B. Braun

Future Operating Room游戏让玩家过了把医生的瘾。还有

赛车、飞行等数不胜数。 [5]

虚拟现实在手机上的应用

由于手机和周遭电子设备的智能化，VR技术与手机的

结合可谓是相得益彰，在桌面式虚拟现实方面，手机可以通

过安装APP来模拟各种控制器来达成例如空调温度的控制，

智能电视频道换台，窗帘的自动开关等，这也是最近各厂商

乐忠的生态家居的概念。在沉浸式虚拟现实方面，受限于设

备成本，行业自己的发展衍生出了名为虚拟现实眼镜和虚拟

现实头盔的区别产品，就像手机行业的低端机和高端机的产

品定位分布。除去配置和做工的差别，虚拟现实眼镜是依靠

镜片为技术核心，借助智能手机来作为它的“主机”。由于所

需的硬件在手机内的高度集成，虚拟现实眼镜的成本就大大

降低了，真正降低了沉浸式VR的门槛，例如小米手机推出的

小米VR眼镜，三星手机推出的Gear VR，暴风影音的暴风魔

镜等都属于这个范畴。 [5]

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。 [8]

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。 [8]

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。 [8]

VR的产生引发了关于伦理道德的讨论。施皮格尔（Spiegel）讨论了可能由VR技术带来的社会危害以及相应的公共政策。其中提到了比如隐私问题、性骚扰问题等。他认为这些问题在真实世界就已经存在，因此我们可以预想它们在VR世界中也会存在。 [8]