虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, VR)是利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)模擬人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官，讓用戶身臨其境地體驗(yàn)和學(xué)習(xí)新的知識(shí)和技術(shù)，是虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)中的一個(gè)重要分支。那么，虛擬現(xiàn)實(shí)究竟是什么？與普通 VR有什么區(qū)別嗎？虛擬現(xiàn)實(shí)又會(huì)對(duì)我們的生活產(chǎn)生怎樣的影響嗎？虛擬現(xiàn)實(shí)概念出現(xiàn)已經(jīng)有百年時(shí)間了，在整個(gè)計(jì)算機(jī)軟件歷史中只有短短數(shù)年，如今已成為全球發(fā)展最快的信息產(chǎn)業(yè)之一，并且已經(jīng)從計(jì)算走向消費(fèi)。雖然虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)上與普通 VR有一些區(qū)別，但是其本質(zhì)上還是一樣的。比如：我們可以通過(guò)在室內(nèi)進(jìn)行模擬活動(dòng)來(lái)享受更逼真的感覺(jué)；可以通過(guò)游戲讓你充分體驗(yàn)到電腦游戲中玩家所需要實(shí)現(xiàn)的能力；可以通過(guò)控制鼠標(biāo)、鍵盤等裝置來(lái)控制虛擬人物行走等行動(dòng)等等。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念
虛擬現(xiàn)實(shí)是指計(jì)算機(jī)模擬出的一個(gè)虛擬世界，用戶能通過(guò)自己的眼睛觀察、操作，并體驗(yàn)到現(xiàn)實(shí)世界中不可能擁有的視覺(jué)內(nèi)容和聽(tīng)覺(jué)感受。虛擬現(xiàn)實(shí)是建立在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之上的新一代信息技術(shù)革命，其利用計(jì)算機(jī)軟件模擬人類的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官而實(shí)現(xiàn)的空間全息化展示。它能夠?qū)⒂脩粼谔摂M世界中所能獲得的物理特性引入計(jì)算機(jī)現(xiàn)實(shí)世界，并賦予計(jì)算機(jī)虛擬世界以更豐富的物理意義和更生動(dòng)的人際交互界面。虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)人類生活帶來(lái)巨大的影響：在娛樂(lè)上, VR帶來(lái)更多歡樂(lè)；在商業(yè)上, VR則是創(chuàng)造新商機(jī)、新業(yè)態(tài)。VR技術(shù)是當(dāng)今最受關(guān)注的新興科技之一，其運(yùn)用能夠創(chuàng)造出前所未有的真實(shí)、超乎想象的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，在娛樂(lè)上也有著其他新興技術(shù)無(wú)法替代的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。由于現(xiàn)在大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上都可以實(shí)現(xiàn)用戶創(chuàng)建、編輯、搜索、分享等功能，因此當(dāng)用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)看到某款 VR硬件設(shè)備時(shí)，就可以獲得一個(gè)與真實(shí)世界一樣的體驗(yàn)方式。而除了能獲得令人嘆為觀止的逼真外, VR還讓用戶能夠更加深入地參與到這款設(shè)備中去，享受在虛擬空間中所感受到之美妙刺激。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)技術(shù)
VR (Virtual Reality)是一種新的、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的技術(shù)。它充分利用了計(jì)算機(jī)視覺(jué)、空間位置與姿態(tài)感知等高科技手段，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，具有三維信息顯示、沉浸式體驗(yàn)，動(dòng)態(tài)環(huán)境交互，虛擬現(xiàn)實(shí)交互和實(shí)時(shí)3D影像播放、數(shù)據(jù)采集等功能。VR是一種綜合應(yīng)用了光學(xué)、人工智能、數(shù)字信號(hào)處理方式的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)能提供一個(gè)與真的物理空間完全一樣的三維環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)不是一種真實(shí)地模擬空間，而是利用計(jì)算機(jī)軟件去模擬人眼所能達(dá)到的視覺(jué)圖像（以眼睛為基準(zhǔn)）和聽(tīng)覺(jué)聲音信息（以耳朵為中心),再通過(guò)各種傳感器把這些感官信息同步采集并傳輸給顯示器，從而使用戶得到身臨其境的感覺(jué)。VR在內(nèi)容上具有沉浸式逼真觀感，這是 VR技術(shù)得以成功運(yùn)用的關(guān)鍵所在。但這僅僅是在一個(gè)虛擬世界內(nèi)可以實(shí)現(xiàn) VR技術(shù)應(yīng)用并獲取相應(yīng)體驗(yàn)和功能的基礎(chǔ)上才可以稱之為真正的 VR技術(shù)。雖然目前只有少數(shù)廠商在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件上進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)與開(kāi)發(fā)工作，但基于最新一代操作系統(tǒng)和移動(dòng)設(shè)備等硬件設(shè)計(jì)上研發(fā)出來(lái)的應(yīng)用還是比較成熟了。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究現(xiàn)狀
近幾年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究與應(yīng)用呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭。國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了相關(guān)研究工作，并且取得了一定的成績(jī)。但與國(guó)外相比，我國(guó)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用方面還存在一定的差距。首先是硬件設(shè)備還不成熟。雖然 VR系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，但 VR硬件設(shè)備對(duì)于性能要求比較高，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有完全達(dá)到。其次是內(nèi)容方面。目前國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在空間信息展示方面，包括視頻直播、游戲、培訓(xùn)等。而 VR在游戲方面同樣面臨著各種挑戰(zhàn)，包括場(chǎng)景的交互性與游戲體驗(yàn)如何將動(dòng)作和圖像映射到空間信息上，如何讓游戲玩家參與到游戲體驗(yàn)當(dāng)中等。由于目前國(guó)內(nèi)硬件設(shè)備上的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還相對(duì)比較落后，因此還需要進(jìn)一步地研發(fā)改進(jìn)。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域
目前，由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身的特點(diǎn)，在應(yīng)用領(lǐng)域上主要集中在制造業(yè)與工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。從這個(gè)角度來(lái)看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值是不可估量，尤其是工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值更是非常巨大。而從目前的應(yīng)用發(fā)展來(lái)看，其發(fā)展空間還很大。由于虛擬現(xiàn)實(shí)能夠創(chuàng)造出超越真實(shí)世界的逼真體驗(yàn)，因此其也是未來(lái)幾年內(nèi)值得關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。作為一種新興信息技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人們生活之間密切相關(guān)，可以說(shuō)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)早已走進(jìn)了人們生活中方方面面。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，用戶不僅能夠體驗(yàn)到真實(shí)世界中難以擁有的虛擬情景，同時(shí)還能夠在虛擬世界中進(jìn)行虛擬活動(dòng)——?jiǎng)?chuàng)造出全新體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有強(qiáng)大的實(shí)用性以及廣闊的發(fā)展前景，并且在未來(lái)會(huì)對(duì)人們?nèi)粘Ｉ顜?lái)很大改變。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
但是在實(shí)際發(fā)展過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢(shì)并不是那么突出，目前虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品還有很大的發(fā)展空間。比如目前市場(chǎng)上已經(jīng)有很多基于硬件打造虛擬世界模擬器設(shè)備。虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備主要包括三大部分，分別是：三維光學(xué)引擎、傳感器系統(tǒng)。三維光學(xué)引擎主要是用來(lái)模擬人眼視物，提升虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的逼真度；傳感器系統(tǒng)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維顯示，提升真實(shí)度；傳感器系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)采集和分析而設(shè)計(jì)的一種傳感器系統(tǒng)，主要用于實(shí)現(xiàn)三維圖像實(shí)時(shí)采集與處理，提升空間分辨率。傳感器系統(tǒng)也是虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)中比較關(guān)鍵的一部分。不同的傳感器系統(tǒng)所能提供不同體驗(yàn)的效果，例如：加速度傳感器可以提高模擬實(shí)際走路加速度、陀螺儀可以提高運(yùn)動(dòng)時(shí)速度、距離傳感器則提升空間位置傳感器則可以提高視角等。
1、三維光學(xué)引擎技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)
三維光學(xué)引擎主要包括三維相機(jī)系統(tǒng)、三維光學(xué)光場(chǎng)算法以及三維光學(xué)成像技術(shù)三個(gè)部分，其中最為關(guān)鍵和核心的就是3D相機(jī)系統(tǒng)。目前大多數(shù)手機(jī)廠商和游戲廠商都在使用3D相機(jī)系統(tǒng)，因?yàn)槠洳粌H能提供更好的顯示效果和沉浸感，而且其價(jià)格也相對(duì)較低。但是在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)這種相機(jī)系統(tǒng)性能并不能達(dá)到預(yù)期。三維成像方法是將二維空間上的信息和圖像疊加到三維圖像上，并通過(guò)對(duì)二維圖像信息的解析計(jì)算來(lái)達(dá)到增強(qiáng)顯示效果和降低屏幕成本的目的。由于這種方法具有一定的局限性，所以越來(lái)越多廠家和游戲廠商將其應(yīng)用于游戲中。目前采用最多最廣泛的二維成像技術(shù)是三維鏡頭陣列光學(xué)相干斷層掃描鏡頭；三維光學(xué)成像技術(shù)主要有雙目相機(jī)(Optical Reality Cam)圖像重建與放大、激光雷達(dá)圖像處理與三維建模技術(shù)；近紅外成像系統(tǒng)及混合成像技術(shù)等。
2、三維光學(xué)引擎技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題
三維光學(xué)引擎主要包括相機(jī)、掃描儀、透鏡陣列等，其中相機(jī)和透鏡陣列被稱為三維光學(xué)引擎中三大關(guān)鍵核心技術(shù)。其中相機(jī)和光學(xué)引擎這兩個(gè)核心技術(shù)是整個(gè)立體成像技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)相機(jī)技術(shù)逐漸成為一個(gè)重要的計(jì)算基礎(chǔ)。目前三維光學(xué)引擎主要有兩個(gè)發(fā)展方向：一是成像原理的升級(jí)，二是軟件功能及性能提升。成像原理升級(jí)主要包括三維光學(xué)引擎硬件及軟件更新等方面，在硬件方面，主要是硬件性能提升并進(jìn)行優(yōu)化；在軟件方面主要是軟件功能和性能提升并進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。但是從目前的市場(chǎng)情況來(lái)看，用戶對(duì)于三維光學(xué)引擎應(yīng)用軟件及技術(shù)的關(guān)注并不是那么高。在硬件方面大多還處于研究階段。
3、虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品發(fā)展過(guò)程中存在的問(wèn)題及解決方案
雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展迅速，但是在實(shí)際應(yīng)用中也存在著諸多問(wèn)題，例如：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要有配套齊全的軟件應(yīng)用支撐。虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)屬于新興產(chǎn)業(yè)，所以需要專門支持虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軟件應(yīng)用支撐平臺(tái)，如 VR/AR、虛擬現(xiàn)實(shí)及相關(guān)的視覺(jué)顯示、交互系統(tǒng)等。在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)時(shí)，還需要支持各種軟硬件的結(jié)合，并且支持軟硬件結(jié)合的軟件應(yīng)用平臺(tái)很多，例如: AR/VR眼鏡設(shè)備平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)硬件與軟件系統(tǒng)之間互相融合；在 VR/AR頭盔設(shè)備平臺(tái)上，需要支持手機(jī)上 AR/VR功能；在 VR眼鏡設(shè)備平臺(tái)上，需要支持顯示攝像頭，可實(shí)現(xiàn)高分辨率顯示功能。目前關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中存在許多問(wèn)題。比如，現(xiàn)有的系統(tǒng)還存在一定缺陷和不足。比如當(dāng)前最先進(jìn)的 VR攝像頭產(chǎn)品還沒(méi)有真正普及到普通用戶中。因此，進(jìn)一步研發(fā)針對(duì)用戶需求而設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)更加重要。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)全球應(yīng)用
“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”發(fā)展迅猛，已成為信息產(chǎn)業(yè)最重要的組成部分。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行業(yè)領(lǐng)域，例如3D打印、虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)、游戲電競(jìng)等。美國(guó)的一些商業(yè)公司也已經(jīng)開(kāi)始積極涉足這一領(lǐng)域，其中尤以 Oculus Rift VR設(shè)備最為出名。VR應(yīng)用中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛介入，使很多普通觀眾成為了行業(yè)內(nèi)的翹楚，使得很多專業(yè)工作者可以通過(guò)身臨其境的觀察和操作來(lái)完成各種專業(yè)性較強(qiáng)且復(fù)雜的工作。這對(duì)于許多領(lǐng)域來(lái)說(shuō)都是非常具有挑戰(zhàn)性的。因?yàn)槠胀ㄈ藷o(wú)法準(zhǔn)確地捕捉到一些物體和空間位置等變化過(guò)程；另外，許多 VR設(shè)備只支持一種終端設(shè)備（如手機(jī)),只能提供一個(gè)“看”或“聽(tīng)”這種信息。不過(guò)近年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域上都取得了很大突破，已經(jīng)開(kāi)始廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。未來(lái)在虛擬現(xiàn)實(shí)游戲、電影制作、遠(yuǎn)程教育等領(lǐng)域會(huì)有很大應(yīng)用空間。
1、虛擬現(xiàn)實(shí)游戲
在技術(shù)條件允許的情況下，游戲玩家可以通過(guò)“眼鏡+顯示器”，感受虛擬現(xiàn)實(shí)的極致快感。虛擬現(xiàn)實(shí)游戲包括模擬競(jìng)技游戲和基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)游戲兩種。模擬競(jìng)技游戲的本質(zhì)就是通過(guò)3D建模，以不同維度、不同視角展現(xiàn)出場(chǎng)景中的細(xì)節(jié)，從而吸引玩家完成游戲目標(biāo)。然而虛擬現(xiàn)實(shí)游戲并不是真正意義上的真人游戲，而是通過(guò)利用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫及圖像技術(shù)模擬出游戲場(chǎng)景并生成虛幻影像的游戲形態(tài)。虛擬現(xiàn)實(shí)游戲可以模擬出真實(shí)世界中沒(méi)有過(guò)的場(chǎng)景和動(dòng)作，使得玩家仿佛身臨其境；或者可以把所有場(chǎng)景都虛擬化成虛擬地圖供玩家進(jìn)行自由探索。虛擬游戲與虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備一樣具備了沉浸式游戲的功能，而這正是 VR技術(shù)所不具備的。目前全球?qū)μ摂M現(xiàn)實(shí)游戲行業(yè)發(fā)展需求最大的公司是 HTC和 GOOGL等龍頭企業(yè)。
2、虛擬現(xiàn)實(shí)電影制作
以 Rift為代表的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，已經(jīng)被好萊塢許多電影制作公司用來(lái)拍攝影片，包括《阿凡達(dá)》、《奪寶奇兵》和《阿凡達(dá)》。這也是目前 VR在影視制作中最受歡迎的一種應(yīng)用。此外在電影制作過(guò)程中，也可以利用 VR技術(shù)來(lái)提升電影質(zhì)量。例如《奪寶奇兵》這部作品在虛擬的場(chǎng)景中增加了一些動(dòng)作場(chǎng)景，比如讓主角的手自動(dòng)抓握“槍”的位置，利用 Oculus Rift來(lái)看動(dòng)作捕捉過(guò)程，從而對(duì)“槍”進(jìn)行360度 VR掃描。通過(guò)掃描來(lái)看“槍”是怎樣抓握，從而讓觀眾看到“槍”在畫面中所出現(xiàn)的位置。這種方法利用 Oculus Rift和 Netflix這樣的平臺(tái)可以讓普通觀眾看清畫面中的“槍”有哪些地方是沒(méi)有移動(dòng)的。所以有專家認(rèn)為如果把拍攝過(guò)程搬到到影院中進(jìn)行的話，電影制作效果會(huì)更加真實(shí)。
3、在線教育
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為遠(yuǎn)程教育帶來(lái)了革命性的變化。以往的在線教育模式更多地依賴于傳統(tǒng)的教室、教師等線下教育資源，而虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)中不僅提供了實(shí)時(shí)的互動(dòng)效果，還提供了真實(shí)世界里的教學(xué)效果，使得遠(yuǎn)程教育更加貼近教育現(xiàn)實(shí)生活。例如在傳統(tǒng)課堂中，教師通過(guò)佩戴專用頭戴器在屏幕上授課，不僅給學(xué)生們帶來(lái)逼真的教學(xué)環(huán)境，還可以根據(jù)教學(xué)需要在屏幕上設(shè)置多個(gè)互動(dòng)場(chǎng)景，并將多個(gè)畫面?zhèn)魉偷浇淌依镉^看。除了傳統(tǒng)形式的課堂外, VR技術(shù)還可以應(yīng)用到大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)教育中。例如，美國(guó)哈佛大學(xué)利用3D打印材料進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)大學(xué)課程學(xué)習(xí)。在哈佛大學(xué)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)時(shí)，學(xué)生們不僅可以進(jìn)入真實(shí)世界里了解不同課程學(xué)習(xí)過(guò)程，還能通過(guò)3D打印出復(fù)雜的物件。而且學(xué)生們還可以根據(jù)自己的興趣和時(shí)間自由選擇課程時(shí)間和課程內(nèi)容，并在課堂里積極互動(dòng)交流并積極參與游戲等課外活動(dòng)。通過(guò)學(xué)習(xí)新知識(shí)、培養(yǎng)興趣和參與感，以及培養(yǎng)對(duì)科學(xué)研究工作的興趣等多方面考慮，在線教育有著巨大潛力。