虛擬現實技術

虛擬現實(Virtual Reality, VR)是利用計算機輔助技術模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感官，讓用戶身臨其境地體驗和學習新的知識和技術，是虛擬現實產業中的一個重要分支。那么，虛擬現實究竟是什么？與普通 VR有什么區別嗎？虛擬現實又會對我們的生活產生怎樣的影響嗎？虛擬現實概念出現已經有百年時間了，在整個計算機軟件歷史中只有短短數年，如今已成為全球發展最快的信息產業之一，并且已經從計算走向消費。雖然虛擬現實在技術上與普通 VR有一些區別，但是其本質上還是一樣的。比如：我們可以通過在室內進行模擬活動來享受更逼真的感覺；可以通過游戲讓你充分體驗到電腦游戲中玩家所需要實現的能力；可以通過控制鼠標、鍵盤等裝置來控制虛擬人物行走等行動等等。

虛擬現實技術" href="uploads/202210/1665461773lfcnhjh4.jpg" target="_blank">虛擬現實技術

虛擬現實是指計算機模擬出的一個虛擬世界，用戶能通過自己的眼睛觀察、操作，并體驗到現實世界中不可能擁有的視覺內容和聽覺感受。虛擬現實是建立在互聯網技術之上的新一代信息技術革命，其利用計算機軟件模擬人類的視覺、聽覺、觸覺等感官而實現的空間全息化展示。它能夠將用戶在虛擬世界中所能獲得的物理特性引入計算機現實世界，并賦予計算機虛擬世界以更豐富的物理意義和更生動的人際交互界面。虛擬現實對人類生活帶來巨大的影響：在娛樂上, VR帶來更多歡樂；在商業上, VR則是創造新商機、新業態。VR技術是當今最受關注的新興科技之一，其運用能夠創造出前所未有的真實、超乎想象的虛擬現實環境，在娛樂上也有著其他新興技術無法替代的獨特優勢。由于現在大多數互聯網平臺上都可以實現用戶創建、編輯、搜索、分享等功能，因此當用戶通過互聯網看到某款 VR硬件設備時，就可以獲得一個與真實世界一樣的體驗方式。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備中去，享受在虛擬空間中所感受到之美妙刺激。

虛擬現實技術

VR (Virtual Reality)是一種新的、以計算機技術為基礎的技術。它充分利用了計算機視覺、空間位置與姿態感知等高科技手段，實現人機交互界面，具有三維信息顯示、沉浸式體驗，動態環境交互，虛擬現實交互和實時3D影像播放、數據采集等功能。VR是一種綜合應用了光學、人工智能、數字信號處理方式的技術。虛擬現實能提供一個與真的物理空間完全一樣的三維環境。虛擬現實不是一種真實地模擬空間，而是利用計算機軟件去模擬人眼所能達到的視覺圖像（以眼睛為基準）和聽覺聲音信息（以耳朵為中心),再通過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。VR在內容上具有沉浸式逼真觀感，這是 VR技術得以成功運用的關鍵所在。但這僅僅是在一個虛擬世界內可以實現 VR技術應用并獲取相應體驗和功能的基礎上才可以稱之為真正的 VR技術。雖然目前只有少數廠商在虛擬現實軟件上進行了一些實驗與開發工作，但基于最新一代操作系統和移動設備等硬件設計上研發出來的應用還是比較成熟了。

虛擬現實技術

近幾年，虛擬現實技術的研究與應用呈現出蓬勃發展的勢頭。國內也開展了相關研究工作，并且取得了一定的成績。但與國外相比，我國在虛擬現實技術應用方面還存在一定的差距。首先是硬件設備還不成熟。雖然 VR系統在國內已經有了一定的基礎，但 VR硬件設備對于性能要求比較高，目前國內還沒有完全達到。其次是內容方面。目前國內虛擬現實領域的應用主要集中在空間信息展示方面，包括視頻直播、游戲、培訓等。而 VR在游戲方面同樣面臨著各種挑戰，包括場景的交互性與游戲體驗如何將動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當中等。由于目前國內硬件設備上的虛擬現實技術還相對比較落后，因此還需要進一步地研發改進。

虛擬現實技術

目前，由于虛擬現實技術本身的特點，在應用領域上主要集中在制造業與工程設計領域。從這個角度來看，虛擬現實技術在工業設計領域的應用價值是不可估量，尤其是工業設計領域的應用價值更是非常巨大。而從目前的應用發展來看，其發展空間還很大。由于虛擬現實能夠創造出超越真實世界的逼真體驗，因此其也是未來幾年內值得關注的熱點領域之一。作為一種新興信息技術，虛擬現實技術與人們生活之間密切相關，可以說虛擬現實技術早已走進了人們生活中方方面面。隨著虛擬現實技術在各個領域應用廣泛，用戶不僅能夠體驗到真實世界中難以擁有的虛擬情景，同時還能夠在虛擬世界中進行虛擬活動——創造出全新體驗。虛擬現實技術具有強大的實用性以及廣闊的發展前景，并且在未來會對人們日常生活帶來很大改變。

虛擬現實技術

但是在實際發展過程中發現，虛擬現實的優勢并不是那么突出，目前虛擬現實產品還有很大的發展空間。比如目前市場上已經有很多基于硬件打造虛擬世界模擬器設備。虛擬現實設備主要包括三大部分，分別是：三維光學引擎、傳感器系統。三維光學引擎主要是用來模擬人眼視物，提升虛擬現實體驗的逼真度；傳感器系統主要用來實現動態三維顯示，提升真實度；傳感器系統是為了實現空間數據采集和分析而設計的一種傳感器系統，主要用于實現三維圖像實時采集與處理，提升空間分辨率。傳感器系統也是虛擬現實產業中比較關鍵的一部分。不同的傳感器系統所能提供不同體驗的效果，例如：加速度傳感器可以提高模擬實際走路加速度、陀螺儀可以提高運動時速度、距離傳感器則提升空間位置傳感器則可以提高視角等。

1、三維光學引擎技術與發展趨勢

三維光學引擎主要包括三維相機系統、三維光學光場算法以及三維光學成像技術三個部分，其中最為關鍵和核心的就是3D相機系統。目前大多數手機廠商和游戲廠商都在使用3D相機系統，因為其不僅能提供更好的顯示效果和沉浸感，而且其價格也相對較低。但是在實際使用中發現這種相機系統性能并不能達到預期。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，并通過對二維圖像信息的解析計算來達到增強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，所以越來越多廠家和游戲廠商將其應用于游戲中。目前采用最多最廣泛的二維成像技術是三維鏡頭陣列光學相干斷層掃描鏡頭；三維光學成像技術主要有雙目相機(Optical Reality Cam)圖像重建與放大、激光雷達圖像處理與三維建模技術；近紅外成像系統及混合成像技術等。

2、三維光學引擎技術發展現狀及存在的問題

三維光學引擎主要包括相機、掃描儀、透鏡陣列等，其中相機和透鏡陣列被稱為三維光學引擎中三大關鍵核心技術。其中相機和光學引擎這兩個核心技術是整個立體成像技術的關鍵環節。近年來隨著計算機圖像處理技術的不斷發展，光學相機技術逐漸成為一個重要的計算基礎。目前三維光學引擎主要有兩個發展方向：一是成像原理的升級，二是軟件功能及性能提升。成像原理升級主要包括三維光學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行優化；在軟件方面主要是軟件功能和性能提升并進行優化升級。但是從目前的市場情況來看，用戶對于三維光學引擎應用軟件及技術的關注并不是那么高。在硬件方面大多還處于研究階段。

3、虛擬現實產品發展過程中存在的問題及解決方案

雖然虛擬現實技術發展迅速，但是在實際應用中也存在著諸多問題，例如：虛擬現實技術需要有配套齊全的軟件應用支撐。虛擬現實產業屬于新興產業，所以需要專門支持虛擬現實技術的軟件應用支撐平臺，如 VR/AR、虛擬現實及相關的視覺顯示、交互系統等。在應用虛擬現實技術時，還需要支持各種軟硬件的結合，并且支持軟硬件結合的軟件應用平臺很多，例如: AR/VR眼鏡設備平臺，可以實現硬件與軟件系統之間互相融合；在 VR/AR頭盔設備平臺上，需要支持手機上 AR/VR功能；在 VR眼鏡設備平臺上，需要支持顯示攝像頭，可實現高分辨率顯示功能。目前關于虛擬現實產業發展過程中存在許多問題。比如，現有的系統還存在一定缺陷和不足。比如當前最先進的 VR攝像頭產品還沒有真正普及到普通用戶中。因此，進一步研發針對用戶需求而設計出的系統更加重要。

虛擬現實技術

“虛擬現實技術”發展迅猛，已成為信息產業最重要的組成部分。虛擬現實技術已經廣泛應用于各行業領域，例如3D打印、虛擬現實教學、游戲電競等。美國的一些商業公司也已經開始積極涉足這一領域，其中尤以 Oculus Rift VR設備最為出名。VR應用中虛擬現實技術的廣泛介入，使很多普通觀眾成為了行業內的翹楚，使得很多專業工作者可以通過身臨其境的觀察和操作來完成各種專業性較強且復雜的工作。這對于許多領域來說都是非常具有挑戰性的。因為普通人無法準確地捕捉到一些物體和空間位置等變化過程；另外，許多 VR設備只支持一種終端設備（如手機),只能提供一個“看”或“聽”這種信息。不過近年來虛擬現實技術在各個領域上都取得了很大突破，已經開始廣泛地應用到各個領域。未來在虛擬現實游戲、電影制作、遠程教育等領域會有很大應用空間。

1、虛擬現實游戲

在技術條件允許的情況下，游戲玩家可以通過“眼鏡+顯示器”，感受虛擬現實的極致快感。虛擬現實游戲包括模擬競技游戲和基于增強現實技術游戲兩種。模擬競技游戲的本質就是通過3D建模，以不同維度、不同視角展現出場景中的細節，從而吸引玩家完成游戲目標。然而虛擬現實游戲并不是真正意義上的真人游戲，而是通過利用計算機動畫及圖像技術模擬出游戲場景并生成虛幻影像的游戲形態。虛擬現實游戲可以模擬出真實世界中沒有過的場景和動作，使得玩家仿佛身臨其境；或者可以把所有場景都虛擬化成虛擬地圖供玩家進行自由探索。虛擬游戲與虛擬現實設備一樣具備了沉浸式游戲的功能，而這正是 VR技術所不具備的。目前全球對虛擬現實游戲行業發展需求最大的公司是 HTC和 GOOGL等龍頭企業。

2、虛擬現實電影制作

以 Rift為代表的虛擬現實技術，已經被好萊塢許多電影制作公司用來拍攝影片，包括《阿凡達》、《奪寶奇兵》和《阿凡達》。這也是目前 VR在影視制作中最受歡迎的一種應用。此外在電影制作過程中，也可以利用 VR技術來提升電影質量。例如《奪寶奇兵》這部作品在虛擬的場景中增加了一些動作場景，比如讓主角的手自動抓握“槍”的位置，利用 Oculus Rift來看動作捕捉過程，從而對“槍”進行360度 VR掃描。通過掃描來看“槍”是怎樣抓握，從而讓觀眾看到“槍”在畫面中所出現的位置。這種方法利用 Oculus Rift和 Netflix這樣的平臺可以讓普通觀眾看清畫面中的“槍”有哪些地方是沒有移動的。所以有專家認為如果把拍攝過程搬到到影院中進行的話，電影制作效果會更加真實。

3、在線教育

虛擬現實技術為遠程教育帶來了革命性的變化。以往的在線教育模式更多地依賴于傳統的教室、教師等線下教育資源，而虛擬現實教學系統中不僅提供了實時的互動效果，還提供了真實世界里的教學效果，使得遠程教育更加貼近教育現實生活。例如在傳統課堂中，教師通過佩戴專用頭戴器在屏幕上授課，不僅給學生們帶來逼真的教學環境，還可以根據教學需要在屏幕上設置多個互動場景，并將多個畫面傳送到教室里觀看。除了傳統形式的課堂外, VR技術還可以應用到大學的網絡教育中。例如，美國哈佛大學利用3D打印材料進行網絡大學課程學習。在哈佛大學進行虛擬現實教學時，學生們不僅可以進入真實世界里了解不同課程學習過程，還能通過3D打印出復雜的物件。而且學生們還可以根據自己的興趣和時間自由選擇課程時間和課程內容，并在課堂里積極互動交流并積極參與游戲等課外活動。通過學習新知識、培養興趣和參與感，以及培養對科學研究工作的興趣等多方面考慮，在線教育有著巨大潛力。