VR：走进盗梦空间

　　当前，VR产业方兴未艾，被人们认为有可能成为下一个计算平台，在多个生产和生活领域也存在大量的想象空间。在当前资本市场遇冷的当下，VR成为一个难得的亮点。国外，行业巨头跑马圈地，Facebook收购Oculus VR、索尼投入Morpheus设备；国内，各家积极布局，腾讯抓着2015年的尾巴推出整套VR方案，DeePoon大朋头盔、蚁视等公司体量虽小却毫不示弱。多家上市公司也进行了VR产业布局。目前，VR还存在内容缺少、成本过高等问题，但是前景被广泛看好。VR技术在上世纪80年代就已提出，经历了漫长的发展历程，它的发展壮大是与当前技术取得的关键突破密不可分的，而未来VR的发展能否符合预期，关键也在于技术突破和产业链的协同壮大。

　　深度沉浸：VR技术的发展

　　2016年被称为VR元年，各种VR展会、发布会热闹非凡，各类VR机构先后成立。然而VR并非近期出现的新技术，分析VR发展历程、技术要点及技术发展现状，对更好地全面理解VR产业发展，具有重要意义。

　　VR的定义和特征

　　虚拟现实的定义

　　虚拟现实（Virtual Reality，VR）概念最早由美国VPL Research公司创始人之一的Jaron Lanier在1989年提出，目前在业界得到广泛应用。虚拟现实技术（有时也被称为沉浸式计算技术)提供了与日益增长的数字世界进行交互的独特方式。虚拟现实也常描述为一组技术，能使人感知参与者的位置和动作，替代或增强一种或多种感官反馈，从而产生一种精神沉浸于或出现在仿真环境（虚拟世界）中的感觉。虚拟现实应用计算机技术创造出了一个包含三维物体的三维环境，对用户而言，三维环境中的物体具有强烈的空间存在感，用户与三维物体之间的交互感和对图片或电影的感知是完全不同的。

　　虚拟现实的技术特征

　　虚拟现实包含四个关键要素：虚拟世界、沉浸感、感觉反馈以及交互性。

　　虚拟世界是利用计算机技术在计算机内部构建一个虚拟环境，虚拟世界的构建是其他一切虚拟现实行为的基础。虚拟世界可以模拟真实环境进行构建，形成逼真的三维模型；也可以根据用户的构想创建真实世界中并不存在的场景，而后在虚拟世界中进行虚拟现实的交互操作。

　　沉浸感是VR最重要的技术特征，是用户置身于虚拟世界之中，与虚拟世界进行交互时所感受到的真实程度。而受限于软硬件条件，现有的虚拟现实技术还无法完全真实地模拟出与现实世界相同的感知效果，只能在一定程度上让用户体验到沉浸感。

　　感觉反馈是VR的一个鲜明特点。VR区别于传统的交互接口，它不仅仅提供视觉、听觉方面的反馈，还提供触觉、力觉、嗅觉、味觉等全方位反馈，以满足沉浸感的要求，且期望反馈的方式与作用于真实世界时的反馈效果相一致。

　　交互性体现在人与VR系统相互作用的过程中，通过各种传感器使得计算机能够对用户的自然交互行为进行识别同时做出相应的响应。交互实时性对于VR技术至关重要，如果用户在与虚拟世界的交互中延迟很严重，就会产生非常不真实的感觉，严重影响交互体验。

　　VR的发展历程

　　虚拟现实的产生可以追朔到1962年美国Morton Heilig发明的Sensorama仿真器，这是一个早期的虚拟现实视频设备，用户通过Sensorama体验纽约的夜间街景。1965年Ivan Sutherland在他的文章中提出了对虚拟现实原创的想法，他用“终极显示”这个名词来进行表述。在文章中描述了信息的显示不仅可以传递到眼睛，还可以传递到耳、鼻、口和手。他提出了一些当时尚未存在的技术来支持终极显示，如3D交互设备、动态绘制、力反馈、眼和注视跟踪。文章所描述的愿景为虚拟现实研究奠定了基础。这之后的30年，VR相关软件和硬件得到了相当的发展，这也得益于美国军方热衷于开发新型的数字仿真器，其间NASA的科学家研制出了第一个虚拟现实系统。20世纪80年代末，Jaron Lanier成立了第一家开始销售VR设备的公司。

　　但直到20世纪年代初期，能支持Ivan Sutherland奇特想法的必需技术才开始萌芽。1992年在芝加哥举办的SIGGRAPH计算机图形学会议上，伊利诺依大学芝加哥分校推出了投影VR，也就是4面投影的CAVE（洞穴式虚拟环境）系统，以替代基于头部的范例，成为展示会上最具有吸引力的新技术。1993年John A.Adam发表文章描述了VR技术在卡特彼勒、克莱斯勒、波音、NASA以及一些大学的研究，指出当时的VR技术还不能充分支持真实的沉浸体验，但由于其潜在的优势，工业界已经开始关注VR技术。

　　1999年Fred Brooks教授在美国NSF基金支持下开展VR应用的工业调研，基于他在戴姆勒、NASA等组织的工业应用体验，指出VR技术勉强能够使用，VR技术仍存在挑战。自从Brooks教授发表调查以来，VR技术研究开始蓬勃发展，工业界和学术界都开始致力于VR技术创新和工业应用知识构建。VR技术开始被各种工业领域广泛采用以满足不同的需求。

　　国内的研究机构在20世纪90年代开始逐渐大量关注VR技术。1996年汪成为院士出版了首部VR著作《灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用》，浙江大学CAD&CG国家重点实验室在2002年获得VR领域首个973项目，北航、北理工、上海交大等大学也都开展VR技术及工业应用研究，2008年北航成立教育部“虚拟现实技术与系统国家重点实验室”。这期间VR技术也获得了国内许多公司的大力投入，特别是2014年Facebook收购Oculus Rift头盔，掀起了VR商业化普及化的浪潮，国内的产业也纷纷布局VR产业链，2016年被称为VR元年。

　　VR的技术原理

　　VR工作的技术过程

　　用户通过输入传感器与计算机中的三维虚拟世界进行交互，虚拟世界发生改变后，再通过传感器反馈给用户，形成闭环系统，如图1所示。虚拟现实系统通常由输入设备、输出设备、虚拟世界数据库、专业图形处理计算机以及软件系统等软硬件构成。

　　输入设备是虚拟世界的信息输入接口，输出设备是虚拟世界对用户的反馈输出。输入输出设备包括立体显示设备、听觉设备、位置跟踪设备、力触觉反馈设备等。显示设备有各种类型，可以是一种或几种组合：单个投影屏幕、多个拼接的投影幕（如CAVE）、带跟踪的桌面立体显示器以及头盔。交互通过位置跟踪实现，位置跟踪系统（如光学跟踪、磁场跟踪、超声跟踪、惯性跟踪等）实时计算自由度空间姿态。手势识别也是一种常见交互方法。通过触觉设备（通过力、振动、温度等方式实现）可以增强交互的物理真实感。

　　虚拟世界数据库用于综合管理与存储虚拟世界包含所有物体的多种信息，如几何模型、运动模型、物理模型，以及输入输出设备映射驱动等。专业图形计算机提供了虚拟世界所有数据计算的硬件资源，软件系统是VR系统逻辑业务的实现。

　　虚拟现实系统类型

　　根据用户参与程度和沉浸感的不同，可以将虚拟现实系统分为：桌面式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统，以及分布式虚拟现实系统。

　　桌面式虚拟现实系统是基于桌面计算机建立的简单虚拟现实系统，依靠桌面计算机进行虚拟现实相关计算，并将计算结果输出到3D立体显示器。

　　沉浸式虚拟现实系统是较为完善的虚拟现实系统，它通常提供一个较大的封闭空间，或者通过佩戴头盔，用户与虚拟世界进行交互时，不会受到外界的干扰，如CAVE虚拟仿真环境。

　　分布式虚拟现实系统主要是将虚拟现实系统与网络技术结合，使得身处异地的用户通过网络连接可以同时参与到一个虚拟世界中，同时与虚拟世界进行交互或者与其他用户进行交互。分布式虚拟现实系统对网络数据传输的实时性要求较高，较长的延迟会影响用户的交互体验。

　　VR技术的发展现状和挑战

　　随着VR相关技术的发展，当前的计算资源和高性能显卡可以足够帧率来绘制高度复杂模型以支持交互显示，位置跟踪器体积更小、响应更快、更精确，更好的头盔光学系统，支撑的技术和软件也已成熟且稳定，VR技术已经走向实用，广泛地应用于游戏、影视娱乐、教育、工程、军事等领域。目前VR系统成本大为降低，以头盔为例，20世纪90年代的V8头盔价格约10万元，20世纪初期的xSight工业级头盔价格40余万，而2010年后发布的Oculus Rift和HTC Vive头盔价格是数千元。

　　目前VR技术仍然存在一些挑战，2016年专家Leif P.Berg也发表了VR工业应用调研情况。一些技术挑战如：场景三维建模和模型数据转化过程的便捷性、虚拟世界中环境模型的几何和物理仿真建模真实感、高效的碰撞检测和力反馈感知、VR头盔的人机工学属性性能等仍需提高。VR产品目前的价格也过高。梓涵肯VR参与人员对VR认知的不断深入以及产业资本的投入，相信VR技术及产业会发展得越来越好，未来需要学术界和工业界共同推动。

　　文/范秀敏

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