VR 技术 原理 应用 前景

虚拟现实VR研究报告

什么是虚拟现实（VR）？

虚拟现实（VirtualReality），简称VR技术VR，也称灵境技术或人工环境，是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让用户如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。用户进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的三维世界视频传回产生临场感。该技术集成了计算机图形、计算机仿真、人工智能、传感、显示及网络并行处理等技术的最新发展成果，是一

种由计机技术辅助生成的高技术

模拟系统。

从技术的角度来说，虚拟现

实系统具有下面三个基本特征：

即三个“I”

immersion-interaction-imaginati

on（沉浸—交互—构想），它强调了在虚拟系统中的人的主导作用。从过去人只能从计算机系统的外部去观测处理的结果，到人能够沉浸到计算机系统所创建的环境中，从过去人只能通过键盘、鼠标与计算环境中的单维数字信息发生作用，到人能够用多种传感器与多维信息的环境发生交互作用；从过去的人只能以定量计算为主的结果中启发从而加深对

事物的认识，到人有可能从定性和定量综合集成

的环境中得到感知和理性的认识从而深化概念和

萌发新意。总之，在未来的虚拟系统中，人们的

目的是使这个由计算机及其它传感器所组成的信

息处理系统去尽量“满足”人的需要，而不是强迫人

去“凑合”那些不是很亲切的计算机系统。

现在的大部分虚拟现实技术都是视觉体验，一般是通过电脑屏幕、特殊显示设备或立体显示设备获得的，不过一些仿真中还包含了其他的感觉处理，比如从音响和耳机中获得声音效果。在一些高级的触觉系统中还包含了触觉信息，也叫作力反馈，在医学和游戏领域有这样的应用。人们与虚拟环境相互要么通过使用标准装置例如一套键盘与鼠标，要么通过仿真装置例如一只有线手套，要么通过情景手臂和/或全方位踏车。虚拟环境是可以是和现实世界类似的，例如，飞行仿真和作战训练，也可以和现实世界有明显差异，如虚拟现实游戏等。就目前的实际情况来说，它还很难形成一个高逼真的虚拟现实环境，这主要是技术上的限制造成的，这些限制来自计算机处理能力，图像分辨率和通信带宽。然而，随着时间的推移，处理器、图象和数据通讯技术变得更加强大，并具有成本效益，这些限制将最终被克服。

虚拟现实技术是如何运作的？

虚拟现实有三个独立的步骤。

第一步，追踪。例如，利用头盔式显示器追踪一个人在现实世界中的运动轨迹，当他（她）走动时，我们可以追踪到他（她）的位置，不断测量他（她）在物理世界中的运动轨迹。

第二步，透视投影。这个词指的是重新绘制一个场景，并利用计算机图像将抽象信息从代码转化为有形的显示单元（如像素）。

第三步，展示。当他（她）处于新位置时，我们可以改变他（她）眼中看到的信息，耳中听到的声音，有时候我们还会做出虚拟接触效果改变他（她）的手的位置，偶尔也会做出虚拟嗅觉。大脑的前部会告诉他（她）这不是真实的场景，而大脑后部却会说这是真的。

虚拟现实技术包含哪些关键技术

1、实时三维计算机图形技术

关键是实时。例如在飞行模拟系统中，图像的刷新相当重要，同时对图像质量的要求也很高，再加上非常复杂的虚拟环境，问题就变得相当困难。

2、广角（宽视野）的立体显示

双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。

3、立体声

在水平方向上，我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向，因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的，所以会有一种方向感。现实生活里，当头部转动时，听到的声音的方向就会改变。但目前在VR系统中，声音的方向与用户头部的运动无关。

4、用户（头、眼）的跟踪

在人造环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态，而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头（眼）的方向来确定的。

5、触觉与力觉反馈

在一个VR系统中，用户可以看到一个虚拟的杯子。你可以设法去抓住它，但是你的手没有真正接触杯子的感觉，并有可能穿过虚拟杯子的“表面”，而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。

6、跟踪头部运动的虚拟现实头套

利用头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来，感觉更逼真。另一个优点是，用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动去观察环境。

7、语音输入输出

在VR系统中，语音的输入输出也很重要。这就要求虚拟环境能听懂人的语言，并能与人实时交互。而让计算机识别人的语音是相当困难的，因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。

现阶段虚拟现实设备涉及的领域有哪些？

虚拟现实技术应用在游戏领域是广为人知的，该领域的产品也是最为人们所熟悉的，索尼的ProjectMorpheus就是一款虚拟现实设备。Facebook为什么收购Oculus？主要原因之一就是它开创了一种新的产品：体感虚拟现实装置，它的出现将更多不为人知运用虚拟现实设备的领域突显出来。

属于汽车领域的福特公司也开始涉猎其中。在福特的虚拟环境实验室里，采用OculusRift眼镜来评估还不存在于物理世界的虚拟汽车的外观和内部装置。通过佩戴头戴式设备OculusRift，佩戴者可以在实验室体验驾驶车辆的感觉。此外，虚拟环境实验室还可以营造一种视觉效果——看到和真实车厢外几乎一样的景象。

美国国家航天航天局（NASA）之前就制造出虚拟现实系统以让人们体会火星漫步的感觉。现在NASA又结合微软的Kinect与OculusRift，让航天员能以第一人称视角远距离操纵机器人进行各种危险工作，未来可以应用在太空站、航天飞机上。

还有房地产领域厂商为了方便顾客看房买房，也运用起了虚拟现实技术。其他如医学、工业、教育等领域也都采用过虚拟现实技术，只不过我们以前没有关注罢了。相信在未来十多年的时间里，虚拟现实技术肯定会成为下一个重要的技术平台，届时会有更多的领域使用虚拟现实技术。

行业前景

首先，硬件技术的局限。目前设备使用不便、效果不佳等问题仍然突出，硬件的处理速度远不能满足在虚拟世界中实时处理大量数据的需求。相关设备的价格也十分高昂，一个头盔式显示器加上主机的成本动辄上万元。

其次，软件可用性差。受硬件局限性的影响，虚拟现实软件开发花费巨大且效果有限，相关的算法和理论也尚不成熟。在新型传感机理、集合与物理建模方法、高速图形图像处理、人工智能等领域，都有很多问题亟待解决。三维建模技术也需进一步完善。

第三，应用领域有限。目前，虚拟现实技术主要应用于军事和高校科研，在教育、工业领域应用还远远不足，未来应努力在民用领域的不同行业发挥作用。

第四，效果不够理想。在虚拟现实的感知方面，有关视觉合成方面的研究较多，对听觉、触觉关注较少，真实性、实时性不足，基于嗅觉、味觉的设备还没有实现商品化。此外，在交互效果方面，虚拟现实技术与人的自然交互不足，在语音识别、人工智能方面的效果尚不能令人满意。

VR的危害

很多危害是看不见的，比如手机成瘾、网络暴力，刚开始人们并不知道这样的东西。而经过30年电脑、手机、互联网的发展之后，包括扎克伯格在内的VR 传道者普通认为“虚拟现实”是下一代计算平台。虽然现在离真正的“下一代”还有点远，但人们已经有意识的开始讨论“虚拟现实”的潜在危害。

虚拟现实会改变你的大脑！大量心理学实验证实了人类大脑的可塑性以及容易被环境无意识的改造（比如著名的“斯坦福监狱试验”或“米尔格伦服从实验”）。人类的意识太容易被外界环境影响了，而虚拟现实系统对环境的控制程度是其他无法比拟的。

因此，不同于其他形式的媒体，虚拟现实技术可以创造一种状态：那就是用户的整个环境都是由虚拟世界决定的，那相当于给虚拟世界的创造者赋予了一种新的“能力”——精神控制的能力，特别是商业、政治、宗教或者政府背后的利益集团所创建的虚拟世界。

这不是危言耸听，一些学者已经通过实验证明了虚拟现实的影响：比如之前研究者曾用虚拟现实来模拟隐身和灵魂出窍。这些体验会带来一些“后遗症”，比如在虚拟世界中扮演超人的用户，在回到现实世界中的时候，还是会表现出一些利他行为。

任何东西控制不当就可能造成危害，但这不足以成为我们放弃新技术的理由。