VR技術

VR是Virtual Reality的縮寫，中文的意思就是虛擬現實（真實幻覺、靈境、幻真），也稱靈境技術或人工環境。概念是在20世紀80年代初提出來的，其具體是指藉助計算機及最新傳感器技術創造的一種嶄新的人機交互手段。虛擬現實是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關於視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。 ^[2] 

1992年美國國家科學基金資助的交互式系統項目工作組的報告中對VR提出了較系統的論述，並確定和建議了未來虛擬現實環境領域的研究方向。可以認為，虛擬現實技術綜合了計算機圖形技術、計算機仿真技術、傳感器技術、顯示技術等多種科學技術，它在多維信息空間上創建一個虛擬信息環境，能使用户具有身臨其境的沉浸感，具有與環境完善的交互作用能力，並有助於啓發構思。所以説，沉浸一交互一構想是VR環境系統的三個基本特性。虛擬技術的核心是建模與仿真。 ^[2] 

虛擬現實廣泛應用於醫學、娛樂、軍事航天、室內設計、房產開發、工業仿真、應急推演、遊戲、地理、教育、水文地質、維修、培訓實訓、船舶製造、汽車仿真、軌道交通、能源領域、生物力學、康復訓練和數字地球等。 ^[2] 

早在20世紀40年代，美國就已開始了飛行模擬器的設計。隨着計算機技術尤其是計算機圖形技術的發展，這種模擬器又發展為大屏幕顯示器和全景式情景產生器。1965年，Ivan Sutherland（被稱為計算機圖形學之父）發表論文《TheUltimate Display(終極的顯示)》，描述了一種把計算機屏幕作為觀察虛擬世界窗口的設想，這被看作是虛擬現實技術研究的開端。1968年，Ivan Sutherland又提出了頭盔式三維顯示裝置的設計思想，並給出一種設計模型，這奠定了三維立體顯示技術的基礎。之後此領域一直沒有突破性的發展，直到20世紀80年代初，才由Jaron Lanier正式提出“Virtual Reality”這一名詞，同時一系列的更完善的仿真傳感設備（如頭盔式j維顯示器、數據手套、數據衣、立體聲耳機等）以及相應的計算機軟硬件系統也被研製出來了。到了90年代，對VR技術的研究更加普遍，發展也更為迅速。 ^[1] 

虛擬現實被認為是多媒體最高級別的應用。它是計算機技術、計算機圖形、計算機視覺、視覺生理學、視覺心理學、仿真技術、微電子技術、立體顯示技術、傳感與測量技術、語音識別與合成技術、人機接口技術、網絡技術及人工智能技術等多種高新技術集成之結晶。其逼真性和實時交互性為系統仿真技術提供有力的支撐。虛擬現實技術有以下幾個特點。 ^[3] 

又稱臨場感，指用户對虛擬世界中的真實感。理想的模擬環境應該使用户難以分辨真假，使用户全身心地投入到計算機創建的三維虛擬環境中，該環境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，甚至聞起來、嚐起來等一切感覺都是真的，如同在現實世界中的感覺一樣。 ^[3] 

指用户對虛擬世界中的物體的可操作性。例如，用户可以用手去直接抓取模擬環境中虛擬的物體，這時手有握着東西的感覺，並可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨着手的移動而移動。 ^[3] 

又稱自主性，指用户在虛擬世界的多維信息空間中，依靠自身的感知和認知能力可全方位地獲取知識，發揮主觀能動性，尋求對問題的完美解決。 ^[3] 

由於沉浸性、交互性和構想性三個特性的英文單詞的第一個字母均為I，這三個特性又通常被統稱為3I特性。 ^[3] 

虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容。動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，並根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。三維數據的獲取可以採用CAD技術（有規則的環境），而更多的環境則需要採用非接觸式的視覺建模技術，兩者的有機結合可以有效地提高數據獲取的效率。 ^[4] 

三維圖形的生成技術已經較為成熟，其關鍵是如何實現“實時”生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低於15幀/秒，最好高於30幀/秒。在不降低圖形的質量和複雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術的研究內容。 ^[4] 

虛擬現實的交互能力依賴於立體顯示和傳感器技術的發展。現有的虛擬現實還遠遠不能滿足系統的需要，例如，數據手套有延遲長、分辨率低、作用範圍小、使用不便等缺點；虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤範圍也有待提高，因此有必要開發新的三維顯示技術。 ^[4] 

虛擬現實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發揮想象力和創造力。選擇適當的應用對象可以大幅度地提高生產效率、減輕勞動強度、提高產品開發質量。為了達到這一目的，必須研究虛擬現實的開發工具。例如，虛擬現實系統開發平台、分佈式虛擬現實技術等。 ^[4] 

由於虛擬現實中包括大量的感知信息和模型，因此係統的集成技術起着至關重要的作用。集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別和合成技術等。 ^[4] 

虛擬現實技術的使用有着非常重要的現實意義，而且現已用在諸多領域： ^[5] 

豐富的感覺能力與3D顯示環境使得VR成為理想的視頻遊戲工具。由於在娛樂方面對VR的真實感要求不是太高，故近些年來VR在該方面發展最為迅猛。如Chicago（芝加哥）開放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娛樂系統，其主題是關於3025年的一場未來戰爭；近幾年推出的Oculus Rift是一款為電子遊戲設計的頭戴式顯示器，以虛擬現實為用户提供更好的體驗，並推出了開發者版本，如今已有許多遊戲對其支持。 ^[5] 

軍事領域的研究一直是推動虛擬現實技術發展的原動力，目前依然是主要的應用領域。如模擬訓練一直是軍事與航天工業中的一個重要課題，這為VR提供了廣闊的應用前景。美國國防部高級研究計劃局DARPA自80年代起一直致力於研究稱為SIMNET的虛擬戰場系統，以提供坦克協同訓練，該系統可聯結200多台模擬器；美國空軍技術研究所( Air Force Institute of Technology)也在利用VR開發培養實際空軍操作人員的環境；美國宇航局( NASA)目前已建立了航空、衞星維護VR訓練系統，空間站VR訓練系統，並建立了能夠供全國使用的VR教育系統，用以模擬實際環境培養訓練宇航員。 ^[5] 

虛擬現實技術可以彌補傳統醫學的不足，主要應用在解剖學、病理學教學、外科手術訓練等方面。在教學中，虛擬環境可以建立虛擬的人體模型，藉助於跟蹤球、HMD、感覺手套，學生可以很容易瞭解人體各器官結構，這比現有的採用教科書的方式更加有效。在醫學院校，學生可在虛擬實驗室中，進行“屍體”解剖和各種手術練習。同樣，外科醫生在真正動手術之前，可以通過虛擬現實技術的幫助，在顯示器上重複地模擬手術，完成對複雜外科手術的設計，尋找最佳手術方案，這樣的練習和預演，能夠將手術對病人造成的損傷降至最低。 ^[5] 

虛擬現實技術作為傳輸顯示信息的媒體，在藝術領域有着巨大的潛力應用。例如，VR技術能夠將靜態的藝術（如繪畫、雕塑等）轉化為動態的，可以提高用户與藝術的交互，並提供全新的體驗和學習方式。 ^[5] 

針對教育，虛擬現實技術應用是教育技術發展的一個飛躍。虛擬學習環境、虛擬現實技術能夠為學生提供生動、逼真的學習環境。親身去經歷的“自主學習”環境比傳統的説教學習方式更具説服力。虛擬實驗利用虛擬現實技術，可以建立各種虛擬實驗室，如物理、化學、生物實驗室等等，利用VR能夠極有效地降低實驗室成本投入，並讓學生獲得與真實實驗一樣的體會，得到同樣的教學效果。 ^[5] 

利用虛擬現實技術，可以對文物古蹟的展示和保護帶來更大的發展。將文物古蹟通過影像建模，更加全面、生動地展示文物，提供給用户更直觀的瀏覽體驗，使文物實時實現資源共享，而不需要受地域所限制，並能有效保護文物古蹟不被過度遊客的遊覽所影響。同時使用三維模型能提高文物修復的精度、縮短修復工期。 ^[5] 

利用虛擬現實技術建成的汽車虛擬開發工程，可以在汽車開發的整個過程中，全面採用計算機輔助技術來縮短設計週期。例如，福特官方公佈過一項汽車研發技術——3D CAVE虛擬技術。設計師戴上3D眼鏡坐在“車裏”，就能模擬“操控汽車”的狀態，並在模擬的車流、行人、街道中感受操控行為，從而在車輛未被生產出來之前，及時、高效地分析車型設計，瞭解實際情況中的駕駛員視野、中控台設計、按鍵位置、後視鏡調節等等，並進行改進，這套系統能夠有效控制成本地進行汽車開發。 ^[5] 

武漢雷神山、火神山建設當中，VR技術發揮了重要作用，中國電信快速部署了5G基站，全方位直播火神山、雷神山建設。“疫情防控復工復產過程中，我們選了江西的一個工廠，利用5G技術、無人機技術實現飛機注視，不用人工注視的過程。我們還會進一步在材料投放、質量建設方面發揮VR的作用。” ^[6]