虛擬現實是通過計算機模擬產生一個包含三維空間和時間的虛擬世界，使用戶有身臨其境的感覺經過60多年的發展，這項技術已經廣泛應用于娛樂領域、軍事、工業、教育等領域。

虛擬現實技術是沉浸式的、交互性、構想性三大特征。根據虛擬現實系統沉浸感的不同，可以分為非沉浸式虛擬現實系統、沉浸式虛擬現實系統、分布式虛擬現實系統、增強型虛擬現實系統。虛擬現實技術的關鍵技術包括：動態環境建模技術、人機交互技術、實時三維圖形生成技術、立體顯示和傳感器技術等。目前，虛擬現實技術的發展仍然受到終端計算能力的限制、輕量化、通信網絡傳輸速度等因素的影響。

自20世紀30年代以來，虛擬現實技術發展了四個時期。第一個時期是20世紀30年代至70年代，第二個時期是20世紀80年代，第三個時期是20世紀90年代至21世紀初，第四個時期是21世紀以來。

探索時期

從20世紀30年代到70年代，這一階段是VR技術和虛擬現實概念的探索期、相關概念等等最先出現。1929年，最早體現虛擬現實思想的設備出現了，那就是1929年美國科學家Edward Link設計的室內飛行模擬訓練器使用這種設備的感覺和坐在真正的飛機上是一樣的。十年后，在小說《Pygmalion's Spectacles》中第一次提出了虛擬現實的想法。1957年，美國電影攝影師Morton Heilig制作了一部名為Sensorama的電影（傳感景院仿真器）基于ASP的立體電影原型系統。此后不久，交互式圖形顯示、力反饋語音提示等概念開始出現，直到1968年才出現第一臺頭戴式三維顯示器。

初步發展

20世紀80年代，虛擬現實技術得到初步發展，計算機技術的發展促進了虛擬現實技術的發展，并逐漸得到廣泛關注。1980年，NASA開始研究虛擬現實技術，使得這項新技術越來越受到重視。三年后，美國國防高級研究計劃局和美國陸軍共同開發了一個名為SIMNET的虛擬戰場系統，主要用于坦克編隊的訓練。此外，1987年，美國VPL研究公司的創始人Jaron Lanier提出“Virtual reality  (虛擬現實)這個詞，這個新概念也是隨著計算機技術發展起來的。

進一步發展

任天堂虛擬男孩游戲機

20世紀90年代初，隨著虛擬現實理論的進一步發展，VR技術逐漸顯示出其廣闊的發展前景。1990年，在美國達拉斯召開的Sigraph會議提出了VR技術的主要內容，包括實時三維圖形生成技術、多傳感器交互技術和高分辨率顯示技術。在隨后的幾年里，新的虛擬現實開發工具和產品不斷問世。1991年，美國虛擬公司開發了一個虛擬現實游戲系統“essence”玩家可以通過該系統實現實時多人游戲，但該產品由于價格昂貴，技術水平有限，并未被市場接受。1992年，美國Sense8公司推出“World ToolKit工具包工具包”簡稱“WTK”虛擬現實軟件工具包大大縮短了虛擬現實系統的開發周期。緊接著，1993年，美國波音公司利用虛擬現實技術設計了波音777飛機，利用數百個工作站完成了300多萬個零件的整體設計。然后在19943356年在瑞士日內瓦召開的第一屆國際互聯網大會上，科學家提出了一種虛擬現實建模語言，用于創建3D網絡的接口和網絡傳輸(Virtual   reality   model   language, referred to as virtual reality modeling language)日本任天堂(Nintendo Japanese video game company and its computer game name)該公司于1995年推出了32位便攜式游戲機“Virtual   boy”是虛擬現實在游戲行業的首次嘗試。這些里程碑使虛擬現實技術更加成熟和完善。

產業化發展

21世紀以來，虛擬現實技術和文化產業、電影、人機交互技術等集成應用在產業發展中取得了長足的進步。北航是國內最早研究 VR 技術的、最權威的單位之一，教育部虛擬現實新技術重點實驗室成立于 20003356和 8。2006年，美國國防部建立了虛擬世界《城市決策》訓練計劃，以提高應對城市危機的能力。2008年，南加州大學開發了一個模型“虛擬伊拉克”基于虛擬現實的治療游戲用于治療軍人患者的創傷后應激障礙。在商業領域，2014年臉書以20億美元收購Oculus Studio，再次將全球投資者的目光聚焦在VR行業。兩年后，臉書、Google、微軟等相繼推出VR頭戴顯示器產品，引起了資本市場的廣泛關注和投資熱潮，也催生了大量VR相關的行業發展，2016年也被稱為“VR”元年。

2022年，虛擬現實入選“智瞻2023”論壇發布的十大關鍵技術清單和元宇宙的概念，進一步推動了VR技術的發展，為VR應用開辟了更加廣闊的發展空間。

沉浸性

沉浸感是指用戶在虛擬世界中感受到的虛擬場景的真實程度。虛擬現實技術通過計算機產生逼真的3D圖像，用戶可以使用視覺、聽覺、嗅覺、味覺等感官，通過與虛擬世界的互動，產生一種真實的場所、客觀世界中的幻覺。

交互性

交互性指的是用戶 虛擬世界中虛擬物體的可操作性。虛擬現實系統的交互如下所示：使用者可以抓取、移動物體，感受它的重量，同時也可以觀察它的空間位置。在交互模式下，用戶可以通過鍵盤和鼠標，或者通過一個特殊的頭盔進行交互、數據手套等設備進行交互。

構想性

想象是指利用虛擬現實技術，模擬現實世界中沒有發生過的環境和事件。用戶在與虛擬環境的交互過程中獲得感性和理性的認知，從而激發新的思維，進一步發揮創造力。虛擬現實系統允許設計者在虛擬世界中構思和設計，同時也反映了設計者 創造性思維。虛擬現實就是設計師利用虛擬現實技術，充分發揮自己的想象力和創造力。

計算機

計算機是虛擬現實系統的核心部分，負責渲染虛擬世界、模擬、數據處理和存儲任務。計算機硬件包括一個中央處理器（CPU）圖形處理器（GPU）內存和硬盤等。虛擬現實系統中三維高真實感場景的生成與顯示（尤其是沉浸式虛擬現實）因此，虛擬現實中使用的計算機是具有圖形加速器和多個圖形輸出管道的高性能圖形計算。計算機軟件包括虛擬現實引擎、物理引擎、3D建模軟件等。

I/O設備

I/o設備用于與虛擬世界交互，分為輸入、輸出設備。這些設備允許用戶在虛擬世界中操作和感知，并提供視覺、聽覺、觸摸移動等多種交互體驗。

輸入設備是虛擬現實系統的輸入接口，主要負責采集用戶信號，并通過傳感器及時發送給計算機輸入設備主要包括三維鼠標、數據手套、數據衣、眼球跟蹤器、頭部跟蹤器、三維定位和跟蹤設備、力矩球操縱桿語音綜合識別輸入設備等，將是用戶 s手勢、身體姿勢、眼球和頭部運動、物理和機械運動聲音和其他信息被轉換成數字信號，并通過傳感器傳輸到計算機。

輸出設備是虛擬現實系統的輸出接口，是輸入信號的反饋計算機通過視覺傳感器將處理后的信號傳輸到輸出設備、聽覺、觸覺、力覺、感覺、運動覺甚至嘎覺、品味等方式反饋給用戶，讓用戶體驗到像真實世界一樣的全方位體驗。輸出設備主要包括頭盔立體顯示器、三維逼真聲音播放設備、力反饋裝置觸覺感受器等。

數據庫

數據庫主要存儲整個虛擬世界中所有物體的各方面信息，包括場景的圖像、音頻、視頻、文本、交互數據等，是建立虛擬世界的信息基礎，數據庫也可以支持VR系統的數據管理和交互。虛擬世界中的各種模型是數據庫中許多信息整合的結果為了拓展虛擬世界的應用領域，現實世界全方位信息的收集也是一項不可或缺的龐大工程，也是目前虛擬現實技術最重要的工作內容之一。

用戶

用戶是VR系統的最終用戶，他們可以使用I/o設備與虛擬世界互動，獲得身臨其境的虛擬體驗。用戶可以通過傳感裝置直接操作虛擬環境，獲得實時三維顯示和其他反饋信息（如觸覺、力覺反饋等）用戶 虛擬世界中的行為和反應將被VR系統感知和響應當系統通過傳感裝置與外界形成反饋閉環時，用戶與虛擬環境的交互可以在用戶的控制下對外界產生影響（如遙操作等）

軟件系統

軟件系統是虛擬現實系統的關鍵部分，主要負責虛擬世界中物體的幾何模型、物理模型、運動模型的建立、三維虛擬立體的生成、模型管理技術和實時顯示技術、虛擬世界數據庫的建立和管理是該系統的集中生產中心。虛擬現實的軟件系統包括虛擬現實引擎、物理引擎、3D建模軟件等。這些軟件可以整合各種數據，創建一個逼真的虛擬世界。虛擬現實引擎是虛擬現實系統的核心部件，可以控制場景中的物體、光線、材料和質地等，實現虛擬世界的渲染和模擬。

非沉浸式

非沉浸式虛擬現實技術也稱桌面虛擬現實系統，其視覺效果主要通過計算機或投影屏幕來實現。非沉浸式虛擬現實技術成本低、使用方便，可廣泛應用于 計算機輔助設計、建筑設計、桌面游戲等。非沉浸式虛擬現實技術給用戶帶來的沉浸感較弱，容易受到真實環境的影響，但對硬件設備要求低，實現成本相對較低，因此在實踐中應用廣泛。

虛擬現實

沉浸式

沉浸式虛擬現實系統，也稱為可穿戴式虛擬現實系統，使用一個封閉的視覺和聽覺系統來隔離用戶 并將用戶暴露在計算機生成的環境中。該系統具有高實時性高沉浸性良好的集成性和開放性，可以同時支持多種輸入輸出設備。

分布式

分布式虛擬現實系統是指有效整合互聯網上分散在不同地域的資源，共同開發場景的虛擬現實系統。分布式虛擬現實系統一般是指將網絡上分散的虛擬現實系統組合起來，以達到某種目的。在分布式虛擬現實中，每個用戶共享一個虛擬工作空間，用戶可以在其中感受真實的行為。該系統具有實時交互功能、時鐘共享等功能，并且多個用戶可以通過各種方式進行通信。

增強型

增強虛擬現實系統是一種結合現實和虛擬環境的系統在該系統中，一些虛擬場景疊加在真實環境上，讓用戶在觀察真實世界的同時與虛擬環境進行互動，達到虛實相生的境界。

動態環境建模技術

虛擬環境的構建是虛擬現實系統的關鍵。動態環境建模技術主要是基于真實環境的三維數據采集，根據實際情況對三維環境進行建模。只有設計出真實有效的反映研究對象的模型，虛擬現實系統才具有可信性。

人機交互技術

人機交互技術是指使用計算機輸入/輸出設備使人們能夠有效地與計算機交流和互動。虛擬現實技術強調自然交互，即人處于虛擬環境中，與虛擬物體進行交互，但對計算機的存在一無所知。在計算機系統中，人類可以使用他們的眼睛、不同的感官形式，如耳朵和皮膚，直接與虛擬環境交互。

實時三維圖形生成技術

三維圖像生成技術已經比較成熟，并且“實時”生成是虛擬現實系統的核心問題。為了實現3D圖像的實時生成，需要保證虛擬場景的刷新率大于每秒15幀，最好高于每秒30幀。因此，如何在保證圖像質量和復雜度的同時提高圖像刷新率，是建立虛擬現實系統要解決的主要問題。

立體顯示和傳感器技術

三維顯示技術和傳感技術的發展決定了虛擬現實的交互性。目前，虛擬現實技術與實際應用還有很大差距。比如數據手套延遲大、分辨率低、作用范圍小、操作困難等問題；虛擬現實設備的跟蹤精度、跟蹤距離和其他方面需要進一步改善，以提高用戶 沉浸在虛擬環境中。

系統集成技術

系統集成技術是將多個硬件和軟件組件集成為一個完整的虛擬現實系統的過程。在虛擬現實系統中，系統集成技術包括硬件集成、軟件集成和人機交互集成，兩者相互配合，打造完整的虛擬現實體驗。其中硬件集成技術主要包括各種傳感器、顯示器和計算設備等硬件的集成；軟件集成技術主要涉及虛擬現實引擎、渲染技術、物理引擎和人工智能等軟件的集成；人機交互集成技術主要包括虛擬現實頭顯、手柄、集成體感設備和語音識別技術等交互設備。通過這些技術的整合，虛擬現實系統可以讓用戶有身臨其境的感覺、逼真的虛擬現實體驗。

內容制作技術

虛擬現實內容的制作涉及很多方面，包括3D建模、物理引擎、動畫制作、虛擬現實引擎等技術。這些技術的應用可以使虛擬現實場景更加逼真、它有更強的真實感，增強了用戶 的沉浸感和參與感。三維建模是虛擬現實制作的重要組成部分它可以通過三維建模軟件將實際場景或物體建模成虛擬現實場景。物理引擎技術可以使虛擬現實場景的物理特征更加逼真，包括重力、碰撞等特性。

動畫技術可以使人置身于虛擬現實場景中、動物和物體更加生動，增強了虛擬現實場景的真實感。虛擬現實引擎是虛擬現實制作的核心技術，可以集成虛擬現實場景的所有組件，實時渲染出逼真的虛擬現實場景。

PC/游戲機連接的虛擬現實設備：需要連接PC或游戲機才能運行，比如Oculus Rift和HTC Vive。這種設備的優點是畫質高、控制器操作更靈活，但對電腦配置和空間要求更高，也更貴。主要應用于游戲、娛樂等領域。

獨立式VR設備：不需要連接其他設備，比如Oculus Quest和HTC Vive Focus。這種設備的優點是便于攜帶、好用，但是畫質比較低，游戲和軟件選擇比較少。主要應用于娛樂、培訓和教育。

手機連接的虛擬現實設備：智能手機需要插在VR設備上，比如Samsung Gear VR和Google   day dream   View View。這種設備的優點是價格低廉、攜帶方便，但畫質和控制器操作受限主要用于娛樂和教育領域。

AR/VR一體機：結合了增強現實（AR）和虛擬現實（VR）Technologies, such as Microsoft  HoloLens and Magic Leap One One, etc。這類設備的優點是可以在真實環境中呈現虛擬內容，應用空間更大，但價格較高，主要用于教育、醫療、設計等領域。

娛樂

虛擬現實技術具有良好的沉浸感和交互性，這使得它自然適用于游戲和娛樂行業。在虛擬現實技術的加持下，人們可以享受前所未有的虛擬體驗。虛擬現實游戲通常需要游戲玩家通過頭戴式顯示器體驗操作，玩家可以獲得游戲的高度沉浸感。虛擬現實技術與傳統電影產業的結合，使觀眾不僅僅是一個觀看者，更成為沉浸其中的參與者。虛擬現實演唱會可以讓用戶隨時隨地與偶像對話”零距離”面對面，可以從不同的角度觀看表演，仿佛聲音在耳邊起伏。設備方面，例如：Oculus Quest 2是一款獨立的VR頭戴設備，無需外部電腦或手機的支持，即可提供高質量的VR游戲體驗。用戶可以在這款設備上玩許多不同類型的游戲，從冒險游戲到體育游戲和射擊游戲。

軍事

在軍事領域，虛擬現實主要是確定對武器裝備的要求，為軍事模擬訓練提供虛擬戰場場景，制定作戰規則和計劃。目前，所有國家 軍隊正試圖將軍事模擬和虛擬現實訓練作為提高其軍事實力的一個重要標志。例如，以NASA為首的美國軍方致力于將虛擬現實技術應用于各種武器系統操作人員的模擬訓練，尤其是飛行員和宇航員。澳大利亞國防部國防科技集團發起了一項研究，探索虛擬現實和軍事防御的潛在應用前景。

工業

虛擬現實技術的出現給工業領域帶來了深刻的技術支持虛擬現實技術的應用使得工業生產機械設備的運行狀態工況監測數據和產品裝配、調試過程可以實現三維可視化，使生產場景真實地呈現在人們面前。例如，Ford、克萊斯勒和Caterillar已經將虛擬現實應用于汽車設計。摩托羅拉用于培訓裝配工人，密歇根大學成立了虛擬現實中心聯盟，研究虛擬現實的工業應用，其中包括通用汽車、福特汽車公司、克萊斯勒汽車公司等。設備方面，例如：IrisVR Prospect是一款基于VR技術的建筑設計軟件，可以幫助建筑師和設計師更好地可視化和交流他們的設計思想。這款軟件可以將建筑設計轉化為交互式虛擬現實場景，讓用戶在VR中體驗和探索建筑。

教育

虛擬現實技術的沉浸性和交互性可以直接為學習者提供交互的三維空間，將學習者置于主動學習的中心，有利于學習者 知識建構。比如用虛擬環境技術搭建的虛擬物理實驗室、化學實驗室等在虛擬實驗室中，學生可以使用虛擬儀器進行操作，教師也可以給學生及時的實驗指導。虛擬圖書館是利用虛擬現實技術將所有的圖書館信息整合到計算機中而構建的用戶只需移動鼠標就可以隨意瀏覽虛擬圖書館中的所有數字資源。設備方面，例如：HTC Vive Pro是一款先進的VR頭戴設備，為教育培訓提供了多種可能。這個設備可以幫助用戶學習新技能、學習新概念，比如學習人體解剖學或者在虛擬現實場景中練習操作技能。

醫療

虛擬現實技術是一種新的心理咨詢和治療工具，可以為顧客提供更多的真實感、沉浸式的體驗。在心理咨詢中，VR可以幫助客戶更好地理解和處理自己的情緒、壓力和恐懼等問題。同時，VR還可以為醫生和治療師提供更直觀的數據，幫助他們更好地了解客戶的狀態和需求，提供更個性化的治療方案。

航空航天

虛擬現實技術在航空航天領域的應用包括飛行模擬器、維修培訓、航空設計和太空探索。其中，飛行模擬器是VR技術最常見的應用之一，可以幫助飛行員在虛擬環境中進行飛行訓練，提高飛行技能和應對突發事件的能力。同時，VR技術還可以用于航空維修培訓，幫助維修人員熟悉機械設備和操作流程。

終端輕量化差

當前的虛擬現實設備，例如頭戴式顯示器、VR眼鏡之類的只能用大體積大重量的CPU和GPU來搭建才能滿足運算速度、傳輸速率等要求，設備顯示的畫面質量較差、頭暈明顯，耳機重量大，給用戶帶來的體驗差。

網絡傳輸限制

受通信網絡傳輸速度的影響，目前的4G網絡無法滿足高分辨率VR顯示的要求。在90Hz的刷新率下，即使是最低的1K分辨率VR頭顯也需要21Mbps的碼率，而4G只能提供10Mbps的碼率，用戶很難流暢體驗VR視頻。

設備價格較高

虛擬現實設備價格相對較高，普通消費者難以承受。一些高端VR頭戴設備的價格可能高達數千美元，使用這些設備需要強大的電腦或游戲機來支持。所以VR技術還是主要針對游戲玩家專業用戶等小眾市場。

缺乏優質內容

虛擬現實應用的數量和質量也是有限的。雖然VR游戲與日俱增，但很多內容質量不高，缺乏長期的支持和更新。另外，很多VR應用只能提供有限的交互和體驗，無法真正實現完整的虛擬現實體驗。