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虛擬現實

(虛擬和現實相互結合的技術類型、靈境技術、元宇宙)

鎖定
虛擬現實技術(英文名稱:Virtual Reality,縮寫為VR),其名詞最早是由美國VPL Research公司的創建人拉尼爾(Jaron Lanier)於1989年提出的 [1]  ,1990年11月27日,錢學森將虛擬現實翻譯為“靈境”,又稱靈境技術或虛擬實境,是20世紀發展起來的一項全新的實用技術。虛擬現實技術囊括計算機、電子信息仿真技術,其基本實現方式是以計算機技術為主,利用並綜合三維圖形技術、多媒體技術仿真技術顯示技術、伺服技術等多種高科技的最新發展成果,藉助計算機等設備產生一個逼真的三維視覺、觸覺、嗅覺等多種感官體驗的虛擬世界,從而使處於虛擬世界中的人產生一種身臨其境的感覺。隨着社會生產力和科學技術的不斷髮展,各行各業對VR技術的需求日益旺盛。VR技術也取得了巨大進步,並逐步成為一個新的科學技術領域。 [1-8] 
中文名
虛擬現實
外文名
Virtual Reality
別    名
虛擬實境、靈境技術、元宇宙
簡    稱
VR
含    義
虛擬和現實相互結合
特    點
沉浸性、交互性等
應    用
娛樂、教育、醫學、科技等
發展方向
智慧城市、智慧工業、數字孿生領域 [2] 

虛擬現實簡介

所謂虛擬現實,顧名思義,就是虛擬和現實相互結合。就是虛擬和現實相互結合(採用特定技術生成一個虛擬的情境,但被人以現實的感覺)。從理論上來講,虛擬現實技術(VR)是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統,它利用計算機生成一種模擬環境,使用户沉浸到該環境中。虛擬現實技術就是利用現實生活中的數據,通過計算機技術產生的電子信號,將其與各種輸出設備結合使其轉化為能夠讓人們感受到的現象,這些現象可以是現實中真真切切的物體,也可以是我們肉眼所看不到的物質,通過三維模型表現出來。因為這些現象不是我們直接所能看到的,而是通過計算機技術模擬出來的現實中的世界,而是通過計算機技術模擬出來的現實中的世界,故稱為虛擬現實。
虛擬現實技術受到了越來越多人的認可,用户可以在虛擬現實世界體驗到最真實的感受,其模擬環境的真實性現實世界難辨真假,讓人有種身臨其境的感覺;同時,虛擬現實具有一切人類所擁有的感知功能,比如聽覺、視覺、觸覺、味覺、嗅覺等感知系統;最後,它具有超強的仿真系統,真正實現了人機交互,使人在操作過程中,可以隨意操作並且得到環境最真實的反饋。正是虛擬現實技術的存在性、多感知性交互性等特徵使它受到了許多人的喜愛。
5G時代的到來,註定將成就虛擬現實技術。未來的生活趨勢將會更多的在虛擬與現實之間切換。

虛擬現實發展歷史

1、第一階段(1929—1962)有聲形動態的模擬是藴涵虛擬現實思想的階段
1929年,Edward Link設計出用於訓練飛行員的模擬器;1956年,Morton Heilig開發出多通道仿真體驗系統Sensorama。 [3] 
2、第二階段(1963—1972)虛擬現實萌芽階段
1965年,計算機圖形學的重要奠基人[3]Ivan Sutherland發表論文“Ultimate Display”(終極的顯示);1968年,Ivan Sutherland研製成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器HMD);1972年,NolanBushell開發出第一個交互式電子遊戲Pong。 [3] 
3、第三階段(1973—1989)虛擬現實概念的產生和理論初步形成階段
1977年,Dan Sandin等研製出數據手套SayreGlove;1983年年美國陸軍和美國國防部高級項目研究計劃局(DARPA)實施SIMNET計劃,開創了分佈交互仿真技術的研究和應用 [3]  ;1984年,NASA AMES研究中心開發出用於火星探測的虛擬環境視覺顯示器;1984年,VPL公司的JaronLanier首次提出“虛擬現實”的概念;1987年,JimHumphries設計了雙目全方位監視器(BOOM)的最早原型。 [3] 
4、第四階段(1990年至今)虛擬現實理論進一步的完善和應用階段
1990年,提出VR技術包括三維圖形生成技術、多傳感器交互技術和高分辨率顯示技術;VPL公司開發出第一套傳感手套“DataGloves”,第一套HMD(頭盔顯示器)“EyePhoncs”;
1993年11月,宇航員通過VR系統的訓練,成功的完成了從航天飛機的運輸艙內取出新的望遠鏡面板的工作,而用VR技術設計波音777飛機是虛擬製造的典型應用實例;2022年加拿大造船公司Seaspan將3D沉浸式虛擬現實系統(VR)引入船舶設計,使設計師可在VR中實時瀏覽他們的設計。
21世紀以來,VR技術高速發展,軟件開發系統不斷完善,有代表性的如MultiGen Vega、Open Scene Graph、Virtools等。 [3] 
2022年12月2日,虛擬現實/增強現實入選“智瞻2023”論壇發佈的十項焦點科技名單。
2023年10月19日至20日,由工業和信息化部、江西省人民政府共同主辦的2023世界VR產業大會在江西南昌召開。與會專家就“虛擬現實+工業製造”的發展趨勢與方向、前沿技術與產業發展、行業融合應用、生態環境建設等熱點議題進行交流探討,進一步推動虛擬現實技術在工業製造領域的創新應用,助力企業實現降本增效。 [4] 

虛擬現實分類

虛擬現實小型傳感器

簡單的光線傳感器、距離傳感器等小型傳感器,抑或者 只是計算機界面的模擬應用。但是由於其造價低和門檻低的 特點,這種類型的VR技術應用最為廣泛。 [5] 

虛擬現實沉浸式虛擬現實

比之桌面式虛擬現實 (Immersive VR),沉浸式虛擬現實則提供更高層次的完全的沉浸式體驗,使得用户有一種置身於虛擬世界的感覺。幾乎所有沉浸式虛擬現實的分類都是以頭盔顯示器為關鍵設備,當然隨着科技的發展,業內的趨勢是拋棄繁重的頭盔設備,轉而以眼鏡甚至是直接投影在眼球上來代替。沉浸式頭盔是一種將使用者與真實環境隔離的先進顯示裝置,它可以分別為左眼和右眼提供兩個既包含平行視差又獨立的圖像,類似於3D電影的拍攝和播放原理。再加上各種類型的傳感器對現實的分別模擬,就能夠產生一種極強的立體真實感。這種類型的VR技術是目前影響最廣,在可操作的前提下潛力最大的一類。更多的商家也願意在這一類的VR技術上做投資。 [5] 

虛擬現實增強現實性虛擬現實

增強現實性虛擬現實 (Augmented VR),則是跳出了對現實的模擬和仿真,轉而要加強參與者對於真實世界的感受,也就是那些無法感知或者是不方便感知的事物。比如説用户去參加車展,帶上相關的設備後看車,車子的各類信息就會在設備上顯示出來,這樣用户就不必再去詢問抑或者查詢資料。增強現實是VR技術發展的目標和最終形態,但是受限於相關技術的發展。 [5] 

虛擬現實分佈式虛擬現實

簡單來説,分佈式虛擬現實 (Distributed VR, DVR)系統是前面3類的集合版本。 分佈式虛擬現實系統是指基於網絡的虛擬環境,使得位於不同物理位置的多個虛擬環境或者多個用户能夠通過網絡相連接。虛擬現實系統運行在分佈式環境下有兩種原因:(1)基於計算機發展的強大的分佈計算能力。(2)某些應用本身就具有分佈特性的需要,比如,各類網絡遊戲或者假使分隔在兩地的人能夠通過VR技術實現“面對面”的交流等。 [5] 

虛擬現實特徵

虛擬現實的特徵
特徵
詳情介紹
沉浸性
沉浸性是虛擬現實技術最主要的特徵,就是讓用户成為並感受到自己是計算機系統創造環境中的一部分,虛擬現實技術的沉浸性取決於用户的感知系統,當使用者感知到虛擬世界的刺激時,包括觸覺、味覺、嗅覺、運動感知等,便會產生思維共鳴,造成心理沉浸,感覺如同進入真實世界
交互性
交互性是指用户對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度,使用者進入虛擬空間,相應的技術讓使用者跟環境產生相互作用,當使用者進行某種操作時,周圍的環境也會做出某種反應。如使用者接觸到虛擬空間中的物體,那麼使用者手上應該能夠感受到,若使用者對物體有所動作,物體的位置和狀態也應改變。
多感知性表示計算機技術應該擁有很多感知方式,比如聽覺,觸覺、嗅覺等等。理想的虛擬現實技術應該具有一切人所具有的感知功能。由於相關技術,特別是傳感技術的限制,目前大多數虛擬現實技術所具有的感知功能僅限於視覺、聽覺、觸覺、運動等幾種。
構想性
構想性也稱想象性,使用者在虛擬空間中,可以與周圍物體進行互動,可以拓寬認知範圍,創造客觀世界不存在的場景或不可能發生的環境。構想可以理解為使用者進入虛擬空間,根據自己的感覺與認知能力吸收知識,發散拓寬思維,創立新的概念和環境。
自主性
是指虛擬環境中物體依據物理定律動作的程度。如當受到力的推動時,物體會向力的方向移動、或翻倒、或從桌面落到地面等。

虛擬現實關鍵技術

虛擬現實的關鍵技術
技術名稱
技術詳情
動態環境建模技術
虛擬環境的建立是VR系統的核心內容,目的就是獲取實際環境的三維數據,並根據應用的需要建立相應的虛擬環境模型
三維圖形的生成技術已經較為成熟,那麼關鍵就是“實時”生成。為保證實時,至少保證圖形的刷新頻率不低於15幀/秒,最好高於30幀/秒。
立體顯示和傳感器技術
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,現有的設備不能滿足需要,力學和觸覺傳感裝置的研究也有待進一步深入,虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤範圍也有待提高。
應用系統開發工具
虛擬現實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象,選擇適當的應用對象可以大幅度提高生產效率,減輕勞動強度,提高產品質量。想要達到這一目的,則需要研究虛擬現實的開發工具
由於VR系統中包括大量的感知信息和模型,因此係統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、識別與合成技術等。

虛擬現實技術應用

虛擬現實的技術應用
應用領域
應用詳情
虛擬現實在影視娛樂中的應用
近年來,由於虛擬現實技術在影視業的廣泛應用,以虛擬現實技術為主而建立的第一現場9DVR體驗館得以實現。第一現場9DVR體驗館自建成以來,在影視娛樂市場中的影響力非常大,此體驗館可以讓觀影者體會到置身於真實場景之中的感覺,讓體驗者沉浸在影片所創造的虛擬環境之中。同時,隨着虛擬現實技術的不斷創新,此技術在遊戲領域也得到了快速發展。虛擬現實技術是利用電腦產生的三維虛擬空間,而三維遊戲剛好是建立在此技術之上的,三維遊戲幾乎包含了虛擬現實的全部技術,使得遊戲在保持實時性交互性的同時,也大幅提升了遊戲的真實感。 [2]  虛擬現實技術和可穿戴設備的研發降低了體育項目的參與門檻,諸如賽車、國際象棋等運動,選手們可接入服務器“穿越”到世界各地賽場,與各國高手同台競技。 [9] 
虛擬現實在教育中的應用
如今,虛擬現實技術已經成為促進教育發展的一種新型教育手段。傳統的教育只是一味的給學生灌輸知識,而現在利用虛擬現實技術可以幫助學生打造生動、逼真的學習環境,使學生通過真實感受來增強記憶,相比於被動性灌輸,利用虛擬現實技術來進行自主學習更容易讓學生接受,這種方式更容易激發學生的學習興趣。此外,各大院校利用虛擬現實技術還建立了與學科相關的虛擬實驗室來幫助學生更好的學習。 [2] 
虛擬現實在設計領域的應用
虛擬現實技術在設計領域小有成就,例如室內設計,人們可以利用虛擬現實技術把室內結構、房屋外形通過虛擬技術表現出來,使之變成可以看的見的物體和環境。同時,在設計初期,設計師可以將自己的想法通過虛擬現實技術模擬出來,可以在虛擬環境中預先看到室內的實際效果,這樣既節省了時間,又降低了成本。 [2] 
虛擬現實在醫學方面的應用
醫學專家們利用計算機,在虛擬空間中模擬出人體組織和器官,讓學生在其中進行模擬操作,並且能讓學生感受到手術刀切入人體肌肉組織、觸碰到骨頭的感覺,使學生能夠更快的掌握手術要領。而且,主刀醫生們在手術前,也可以建立一個病人身體的虛擬模型,在虛擬空間中先進行一次手術預演,這樣能夠大大提高手術的成功率,讓更多的病人得以痊癒。 [7] 
虛擬現實在軍事方面的應用
由於虛擬現實的立體感和真實感,在軍事方面,人們將地圖上的山川地貌、海洋湖泊等數據通過計算機進行編寫,利用虛擬現實技術,能將原本平面的地圖變成一幅三維立體的地形圖,再通過全息技術將其投影出來,這更有助於進行軍事演習等訓練,提高我國的綜合國力
除此之外,現在的戰爭是信息化戰爭,戰爭機器都朝着自動化方向發展,無人機便是信息化戰爭的最典型產物。無人機由於它的自動化以及便利性深受各國喜愛,在戰士訓練期間,可以利用虛擬現實技術去模擬無人機的飛行、射擊等工作模式。戰爭期間,軍人也可以通過眼鏡、頭盔等機器操控無人機進行偵察和暗殺任務,減小戰爭中軍人的傷亡率。由於虛擬現實技術能將無人機拍攝到的場景立體化,降低操作難度,提高偵查效率,所以無人機和虛擬現實技術的發展刻不容緩。 [7] 
虛擬現實在航空航天方面的應用
由於航空航天是一項耗資巨大,非常繁瑣的工程,所以,人們利用虛擬現實技術和計算機的統計模擬,在虛擬空間中重現了現實中的航天飛機飛行環境,使飛行員在虛擬空間中進行飛行訓練實驗操作,極大地降低了實驗經費和實驗的危險係數 [7] 
虛擬現實在工業方面應用
虛擬現實技術已大量應用於工業領域,對汽車工業而言,虛擬現實技術既是一個最新的技術開發方法,更是一個複雜的仿真工具,它旨在建立一種人工環境,人們可以在這種環境中以一種自然地方式從事駕駛、操作和設計等實時活動。並且虛擬現實技術也可以用於汽車設計、實驗、培訓等方面,例如在產品設計中藉助虛擬現實技術建立的三維汽車模型,可顯示汽車的懸掛、底盤、內飾直至每個焊接點,設計者可確定每個部件的質量,瞭解各個部件的運行性能。這種三維模式準確性很高,汽車製造商可按得到的計算機數據直接進行大規模生產 [7] 
虛擬現實在遊戲上的應用
普通的遊戲無論是2D抑或是3D都不會產生VR遊戲這
般真實的體驗,同時由於遊戲的普適性,VR技術在遊戲上
的應用也是VR技術推廣的重要部分,拋棄了鼠標和鍵盤的
束縛,真正的以玩家為主角中心。VR技術幫助玩家“真實”
實現了自己的夢想,例如使命召喚的VR版本可以讓玩家體
驗真實的戰場,實現普通人的戰場夢:STEAM的B. Braun
Future Operating Room遊戲讓玩家過了把醫生的癮。還有
賽車、飛行等數不勝數。 [5] 
虛擬現實在手機上的應用
由於手機和周遭電子設備的智能化,VR技術與手機的
結合可謂是相得益彰,在桌面式虛擬現實方面,手機可以通
過安裝APP來模擬各種控制器來達成例如空調温度的控制,
智能電視頻道換台,窗簾的自動開關等,這也是最近各廠商
樂忠的生態家居的概念。在沉浸式虛擬現實方面,受限於設
備成本,行業自己的發展衍生出了名為虛擬現實眼鏡和虛擬
現實頭盔的區別產品,就像手機行業的低端機和高端機的產
品定位分佈。除去配置和做工的差別,虛擬現實眼鏡是依靠
鏡片為技術核心,藉助智能手機來作為它的“主機”。由於所
需的硬件在手機內的高度集成,虛擬現實眼鏡的成本就大大
降低了,真正降低了沉浸式VR的門檻,例如小米手機推出的
小米VR眼鏡,三星手機推出的Gear VR,暴風影音的暴風魔
鏡等都屬於這個範疇。 [5] 

虛擬現實發展局限

即使VR技術前景較為廣闊,但作為一項高速發展的科技技術,其自身的問題也隨之漸漸浮現,例如產品回報穩定性的問題、用户視覺體驗問題等。對於VR企業而言,如何突破目前VR發展的瓶頸,讓VR技術成為主流仍是他們所亟待解決的問題。 [8] 
首先,部分用户使用VR設備會帶來眩暈、嘔吐等不適之感,這也造成其體驗不佳的問題。部分原因來自清晰度的不足,而另一部分來自刷新率無法滿足要求。據研究顯示,14k以上的分辨率才能基本使大腦認同,但就目前來看,國內所用的VR設備遠不及騙過大腦的要求。消費者的不舒適感可能產生的其對VR技術是否會對自身身體健康造成損害的擔憂,這必將影響VR技術未來的發展與普及。 [8] 
VR體驗的高價位同樣是制約了其擴張的原因之一。在國內市場中,VR眼鏡價位一般都在三千元以上。當然這並非是短時間內可以解決的問題,用户如果想體驗到高端的視覺享受,必然要為其內部更高端的電腦支付高昂的價格。若想要使得虛擬現實技術得到推廣,確保其內容的產出和回報率的穩定十分關鍵。其所涉及內容的製作成本與體驗感決定了消費者接受VR設備的程度,而對於該高成本的內容,其回報率難以預估。其中對VR原創內容的創作無疑加大了其中的難度。 [8] 
VR的產生引發了關於倫理道德的討論。施皮格爾(Spiegel)討論了可能由VR技術帶來的社會危害以及相應的公共政策。其中提到了比如隱私問題、性騷擾問題等。他認為這些問題在真實世界就已經存在,因此我們可以預想它們在VR世界中也會存在。 [8] 
參考資料
  • 1.    湯君友.虛擬現實技術與應用[M].南京東南大學出版社:202008.289
  • 2.    張量, et al.虛擬現實(VR)技術與發展研究綜述.信息與電腦(理論版) 31.17(2019):126-128
  • 3.    趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學(F輯:信息科學),2009,39(01):2-46
  • 4.    谷月. 虛擬現實技術加速賦能工業製造[N]. 中國電子報,2023-11-03(006).DOI:10.28065/n.cnki.ncdzb.2023.001388
  • 5.    李巍.虛擬現實技術的分類及應用[J].無線互聯科技,2018,15(08):138-139
  • 6.    Erick Jose Ramirez,Scott La Barge.Real Moral Problems in the Use of Virtual Reality[J].Ethics and Information Technology,2018(4)
  • 7.    Erick Jose Ramirez.Ecological and Ethical Issues in Virtual Reality Research:A Call for Increased Scrutiny[J].Philosophical Psychology,2019(2)
  • 8.    James Spiegel.The Ethics of Virtual Reality Technology:Social Hazards and Public Policy Recommendations[J].Science and Engineering Ethics,2018(5)
  • 9.    正視電子競技產業的價值  .光明網[引用日期2024-06-14]