虚拟现实

虚拟现实是通过计算机模拟产生一个包含三维空间和时间的虚拟世界，使用户有身临其境的感觉经过60多年的发展，这项技术已经广泛应用于娱乐领域、军事、工业、教育等领域。

虚拟现实技术是沉浸式的、交互性、构想性三大特征。根据虚拟现实系统沉浸感的不同，可以分为非沉浸式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统、增强型虚拟现实系统。虚拟现实技术的关键技术包括：动态环境建模技术、人机交互技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术等。目前，虚拟现实技术的发展仍然受到终端计算能力的限制、轻量化、通信网络传输速度等因素的影响。

自20世纪30年代以来，虚拟现实技术发展了四个时期。第一个时期是20世纪30年代至70年代，第二个时期是20世纪80年代，第三个时期是20世纪90年代至21世纪初，第四个时期是21世纪以来。

探索时期

从20世纪30年代到70年代，这一阶段是VR技术和虚拟现实概念的探索期、相关概念等等最先出现。1929年，最早体现虚拟现实思想的设备出现了，那就是1929年美国科学家Edward Link设计的室内飞行模拟训练器使用这种设备的感觉和坐在真正的飞机上是一样的。十年后，在小说《Pygmalion's Spectacles》中第一次提出了虚拟现实的想法。1957年，美国电影摄影师Morton Heilig制作了一部名为Sensorama的电影（传感景院仿真器）基于ASP的立体电影原型系统。此后不久，交互式图形显示、力反馈语音提示等概念开始出现，直到1968年才出现第一台头戴式三维显示器。

初步发展

20世纪80年代，虚拟现实技术得到初步发展，计算机技术的发展促进了虚拟现实技术的发展，并逐渐得到广泛关注。1980年，NASA开始研究虚拟现实技术，使得这项新技术越来越受到重视。三年后，美国国防高级研究计划局和美国陆军共同开发了一个名为SIMNET的虚拟战场系统，主要用于坦克编队的训练。此外，1987年，美国VPL研究公司的创始人Jaron Lanier提出“Virtual reality  (虚拟现实)这个词，这个新概念也是随着计算机技术发展起来的。

进一步发展

任天堂虚拟男孩游戏机

20世纪90年代初，随着虚拟现实理论的进一步发展，VR技术逐渐显示出其广阔的发展前景。1990年，在美国达拉斯召开的Sigraph会议提出了VR技术的主要内容，包括实时三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术。在随后的几年里，新的虚拟现实开发工具和产品不断问世。1991年，美国虚拟公司开发了一个虚拟现实游戏系统“essence”玩家可以通过该系统实现实时多人游戏，但该产品由于价格昂贵，技术水平有限，并未被市场接受。1992年，美国Sense8公司推出“World ToolKit工具包工具包”简称“WTK”虚拟现实软件工具包大大缩短了虚拟现实系统的开发周期。紧接着，1993年，美国波音公司利用虚拟现实技术设计了波音777飞机，利用数百个工作站完成了300多万个零件的整体设计。然后在19943356年在瑞士日内瓦召开的第一届国际互联网大会上，科学家提出了一种虚拟现实建模语言，用于创建3D网络的接口和网络传输(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)该公司于1995年推出了32位便携式游戏机“Virtual   boy”是虚拟现实在游戏行业的首次尝试。这些里程碑使虚拟现实技术更加成熟和完善。

产业化发展

21世纪以来，虚拟现实技术和文化产业、电影、人机交互技术等集成应用在产业发展中取得了长足的进步。北航是国内最早研究 VR 技术的、最权威的单位之一，教育部虚拟现实新技术重点实验室成立于 20003356和 8。2006年，美国国防部建立了虚拟世界《城市决策》训练计划，以提高应对城市危机的能力。2008年，南加州大学开发了一个模型“虚拟伊拉克”基于虚拟现实的治疗游戏用于治疗军人患者的创伤后应激障碍。在商业领域，2014年脸书以20亿美元收购Oculus Studio，再次将全球投资者的目光聚焦在VR行业。两年后，脸书、Google、微软等相继推出VR头戴显示器产品，引起了资本市场的广泛关注和投资热潮，也催生了大量VR相关的行业发展，2016年也被称为“VR”元年。

2022年，虚拟现实入选“智瞻2023”论坛发布的十大关键技术清单和元宇宙的概念，进一步推动了VR技术的发展，为VR应用开辟了更加广阔的发展空间。

沉浸性

沉浸感是指用户在虚拟世界中感受到的虚拟场景的真实程度。虚拟现实技术通过计算机产生逼真的3D图像，用户可以使用视觉、听觉、嗅觉、味觉等感官，通过与虚拟世界的互动，产生一种真实的场所、客观世界中的幻觉。

交互性

交互性指的是用户 虚拟世界中虚拟物体的可操作性。虚拟现实系统的交互如下所示：使用者可以抓取、移动物体，感受它的重量，同时也可以观察它的空间位置。在交互模式下，用户可以通过键盘和鼠标，或者通过一个特殊的头盔进行交互、数据手套等设备进行交互。

构想性

想象是指利用虚拟现实技术，模拟现实世界中没有发生过的环境和事件。用户在与虚拟环境的交互过程中获得感性和理性的认知，从而激发新的思维，进一步发挥创造力。虚拟现实系统允许设计者在虚拟世界中构思和设计，同时也反映了设计者 创造性思维。虚拟现实就是设计师利用虚拟现实技术，充分发挥自己的想象力和创造力。

计算机

计算机是虚拟现实系统的核心部分，负责渲染虚拟世界、模拟、数据处理和存储任务。计算机硬件包括一个中央处理器（CPU）图形处理器（GPU）内存和硬盘等。虚拟现实系统中三维高真实感场景的生成与显示（尤其是沉浸式虚拟现实）因此，虚拟现实中使用的计算机是具有图形加速器和多个图形输出管道的高性能图形计算。计算机软件包括虚拟现实引擎、物理引擎、3D建模软件等。

I/O设备

I/o设备用于与虚拟世界交互，分为输入、输出设备。这些设备允许用户在虚拟世界中操作和感知，并提供视觉、听觉、触摸移动等多种交互体验。

输入设备是虚拟现实系统的输入接口，主要负责采集用户信号，并通过传感器及时发送给计算机输入设备主要包括三维鼠标、数据手套、数据衣、眼球跟踪器、头部跟踪器、三维定位和跟踪设备、力矩球操纵杆语音综合识别输入设备等，将是用户 s手势、身体姿势、眼球和头部运动、物理和机械运动声音和其他信息被转换成数字信号，并通过传感器传输到计算机。

输出设备是虚拟现实系统的输出接口，是输入信号的反馈计算机通过视觉传感器将处理后的信号传输到输出设备、听觉、触觉、力觉、感觉、运动觉甚至嘎觉、品味等方式反馈给用户，让用户体验到像真实世界一样的全方位体验。输出设备主要包括头盔立体显示器、三维逼真声音播放设备、力反馈装置触觉感受器等。

数据库

数据库主要存储整个虚拟世界中所有物体的各方面信息，包括场景的图像、音频、视频、文本、交互数据等，是建立虚拟世界的信息基础，数据库也可以支持VR系统的数据管理和交互。虚拟世界中的各种模型是数据库中许多信息整合的结果为了拓展虚拟世界的应用领域，现实世界全方位信息的收集也是一项不可或缺的庞大工程，也是目前虚拟现实技术最重要的工作内容之一。

用户

用户是VR系统的最终用户，他们可以使用I/o设备与虚拟世界互动，获得身临其境的虚拟体验。用户可以通过传感装置直接操作虚拟环境，获得实时三维显示和其他反馈信息（如触觉、力觉反馈等）用户 虚拟世界中的行为和反应将被VR系统感知和响应当系统通过传感装置与外界形成反馈闭环时，用户与虚拟环境的交互可以在用户的控制下对外界产生影响（如遥操作等）

软件系统

软件系统是虚拟现实系统的关键部分，主要负责虚拟世界中物体的几何模型、物理模型、运动模型的建立、三维虚拟立体的生成、模型管理技术和实时显示技术、虚拟世界数据库的建立和管理是该系统的集中生产中心。虚拟现实的软件系统包括虚拟现实引擎、物理引擎、3D建模软件等。这些软件可以整合各种数据，创建一个逼真的虚拟世界。虚拟现实引擎是虚拟现实系统的核心部件，可以控制场景中的物体、光线、材料和质地等，实现虚拟世界的渲染和模拟。

非沉浸式

非沉浸式虚拟现实技术也称桌面虚拟现实系统，其视觉效果主要通过计算机或投影屏幕来实现。非沉浸式虚拟现实技术成本低、使用方便，可广泛应用于 计算机辅助设计、建筑设计、桌面游戏等。非沉浸式虚拟现实技术给用户带来的沉浸感较弱，容易受到真实环境的影响，但对硬件设备要求低，实现成本相对较低，因此在实践中应用广泛。

虚拟现实

沉浸式

沉浸式虚拟现实系统，也称为可穿戴式虚拟现实系统，使用一个封闭的视觉和听觉系统来隔离用户 并将用户暴露在计算机生成的环境中。该系统具有高实时性高沉浸性良好的集成性和开放性，可以同时支持多种输入输出设备。

分布式

分布式虚拟现实系统是指有效整合互联网上分散在不同地域的资源，共同开发场景的虚拟现实系统。分布式虚拟现实系统一般是指将网络上分散的虚拟现实系统组合起来，以达到某种目的。在分布式虚拟现实中，每个用户共享一个虚拟工作空间，用户可以在其中感受真实的行为。该系统具有实时交互功能、时钟共享等功能，并且多个用户可以通过各种方式进行通信。

增强型

增强虚拟现实系统是一种结合现实和虚拟环境的系统在该系统中，一些虚拟场景叠加在真实环境上，让用户在观察真实世界的同时与虚拟环境进行互动，达到虚实相生的境界。

动态环境建模技术

虚拟环境的构建是虚拟现实系统的关键。动态环境建模技术主要是基于真实环境的三维数据采集，根据实际情况对三维环境进行建模。只有设计出真实有效的反映研究对象的模型，虚拟现实系统才具有可信性。

人机交互技术

人机交互技术是指使用计算机输入/输出设备使人们能够有效地与计算机交流和互动。虚拟现实技术强调自然交互，即人处于虚拟环境中，与虚拟物体进行交互，但对计算机的存在一无所知。在计算机系统中，人类可以使用他们的眼睛、不同的感官形式，如耳朵和皮肤，直接与虚拟环境交互。

实时三维图形生成技术

三维图像生成技术已经比较成熟，并且“实时”生成是虚拟现实系统的核心问题。为了实现3D图像的实时生成，需要保证虚拟场景的刷新率大于每秒15帧，最好高于每秒30帧。因此，如何在保证图像质量和复杂度的同时提高图像刷新率，是建立虚拟现实系统要解决的主要问题。

立体显示和传感器技术

三维显示技术和传感技术的发展决定了虚拟现实的交互性。目前，虚拟现实技术与实际应用还有很大差距。比如数据手套延迟大、分辨率低、作用范围小、操作困难等问题；虚拟现实设备的跟踪精度、跟踪距离和其他方面需要进一步改善，以提高用户 沉浸在虚拟环境中。

系统集成技术

系统集成技术是将多个硬件和软件组件集成为一个完整的虚拟现实系统的过程。在虚拟现实系统中，系统集成技术包括硬件集成、软件集成和人机交互集成，两者相互配合，打造完整的虚拟现实体验。其中硬件集成技术主要包括各种传感器、显示器和计算设备等硬件的集成；软件集成技术主要涉及虚拟现实引擎、渲染技术、物理引擎和人工智能等软件的集成；人机交互集成技术主要包括虚拟现实头显、手柄、集成体感设备和语音识别技术等交互设备。通过这些技术的整合，虚拟现实系统可以让用户有身临其境的感觉、逼真的虚拟现实体验。

内容制作技术

虚拟现实内容的制作涉及很多方面，包括3D建模、物理引擎、动画制作、虚拟现实引擎等技术。这些技术的应用可以使虚拟现实场景更加逼真、它有更强的真实感，增强了用户 的沉浸感和参与感。三维建模是虚拟现实制作的重要组成部分它可以通过三维建模软件将实际场景或物体建模成虚拟现实场景。物理引擎技术可以使虚拟现实场景的物理特征更加逼真，包括重力、碰撞等特性。

动画技术可以使人置身于虚拟现实场景中、动物和物体更加生动，增强了虚拟现实场景的真实感。虚拟现实引擎是虚拟现实制作的核心技术，可以集成虚拟现实场景的所有组件，实时渲染出逼真的虚拟现实场景。

PC/游戏机连接的虚拟现实设备：需要连接PC或游戏机才能运行，比如Oculus Rift和HTC Vive。这种设备的优点是画质高、控制器操作更灵活，但对电脑配置和空间要求更高，也更贵。主要应用于游戏、娱乐等领域。

独立式VR设备：不需要连接其他设备，比如Oculus Quest和HTC Vive Focus。这种设备的优点是便于携带、好用，但是画质比较低，游戏和软件选择比较少。主要应用于娱乐、培训和教育。

手机连接的虚拟现实设备：智能手机需要插在VR设备上，比如Samsung Gear VR和Google   day dream   View View。这种设备的优点是价格低廉、携带方便，但画质和控制器操作受限主要用于娱乐和教育领域。

AR/VR一体机：结合了增强现实（AR）和虚拟现实（VR）Technologies, such as Microsoft  HoloLens and Magic Leap One One, etc。这类设备的优点是可以在真实环境中呈现虚拟内容，应用空间更大，但价格较高，主要用于教育、医疗、设计等领域。

娱乐

虚拟现实技术具有良好的沉浸感和交互性，这使得它自然适用于游戏和娱乐行业。在虚拟现实技术的加持下，人们可以享受前所未有的虚拟体验。虚拟现实游戏通常需要游戏玩家通过头戴式显示器体验操作，玩家可以获得游戏的高度沉浸感。虚拟现实技术与传统电影产业的结合，使观众不仅仅是一个观看者，更成为沉浸其中的参与者。虚拟现实演唱会可以让用户随时随地与偶像对话”零距离”面对面，可以从不同的角度观看表演，仿佛声音在耳边起伏。设备方面，例如：Oculus Quest 2是一款独立的VR头戴设备，无需外部电脑或手机的支持，即可提供高质量的VR游戏体验。用户可以在这款设备上玩许多不同类型的游戏，从冒险游戏到体育游戏和射击游戏。

军事

在军事领域，虚拟现实主要是确定对武器装备的要求，为军事模拟训练提供虚拟战场场景，制定作战规则和计划。目前，所有国家 军队正试图将军事模拟和虚拟现实训练作为提高其军事实力的一个重要标志。例如，以NASA为首的美国军方致力于将虚拟现实技术应用于各种武器系统操作人员的模拟训练，尤其是飞行员和宇航员。澳大利亚国防部国防科技集团发起了一项研究，探索虚拟现实和军事防御的潜在应用前景。

工业

虚拟现实技术的出现给工业领域带来了深刻的技术支持虚拟现实技术的应用使得工业生产机械设备的运行状态工况监测数据和产品装配、调试过程可以实现三维可视化，使生产场景真实地呈现在人们面前。例如，Ford、克莱斯勒和Caterillar已经将虚拟现实应用于汽车设计。摩托罗拉用于培训装配工人，密歇根大学成立了虚拟现实中心联盟，研究虚拟现实的工业应用，其中包括通用汽车、福特汽车公司、克莱斯勒汽车公司等。设备方面，例如：IrisVR Prospect是一款基于VR技术的建筑设计软件，可以帮助建筑师和设计师更好地可视化和交流他们的设计思想。这款软件可以将建筑设计转化为交互式虚拟现实场景，让用户在VR中体验和探索建筑。

教育

虚拟现实技术的沉浸性和交互性可以直接为学习者提供交互的三维空间，将学习者置于主动学习的中心，有利于学习者 知识建构。比如用虚拟环境技术搭建的虚拟物理实验室、化学实验室等在虚拟实验室中，学生可以使用虚拟仪器进行操作，教师也可以给学生及时的实验指导。虚拟图书馆是利用虚拟现实技术将所有的图书馆信息整合到计算机中而构建的用户只需移动鼠标就可以随意浏览虚拟图书馆中的所有数字资源。设备方面，例如：HTC Vive Pro是一款先进的VR头戴设备，为教育培训提供了多种可能。这个设备可以帮助用户学习新技能、学习新概念，比如学习人体解剖学或者在虚拟现实场景中练习操作技能。

医疗

虚拟现实技术是一种新的心理咨询和治疗工具，可以为顾客提供更多的真实感、沉浸式的体验。在心理咨询中，VR可以帮助客户更好地理解和处理自己的情绪、压力和恐惧等问题。同时，VR还可以为医生和治疗师提供更直观的数据，帮助他们更好地了解客户的状态和需求，提供更个性化的治疗方案。

航空航天

虚拟现实技术在航空航天领域的应用包括飞行模拟器、维修培训、航空设计和太空探索。其中，飞行模拟器是VR技术最常见的应用之一，可以帮助飞行员在虚拟环境中进行飞行训练，提高飞行技能和应对突发事件的能力。同时，VR技术还可以用于航空维修培训，帮助维修人员熟悉机械设备和操作流程。

终端轻量化差

当前的虚拟现实设备，例如头戴式显示器、VR眼镜之类的只能用大体积大重量的CPU和GPU来搭建才能满足运算速度、传输速率等要求，设备显示的画面质量较差、头晕明显，耳机重量大，给用户带来的体验差。

网络传输限制

受通信网络传输速度的影响，目前的4G网络无法满足高分辨率VR显示的要求。在90Hz的刷新率下，即使是最低的1K分辨率VR头显也需要21Mbps的码率，而4G只能提供10Mbps的码率，用户很难流畅体验VR视频。

设备价格较高

虚拟现实设备价格相对较高，普通消费者难以承受。一些高端VR头戴设备的价格可能高达数千美元，使用这些设备需要强大的电脑或游戏机来支持。所以VR技术还是主要针对游戏玩家专业用户等小众市场。

缺乏优质内容

虚拟现实应用的数量和质量也是有限的。虽然VR游戏与日俱增，但很多内容质量不高，缺乏长期的支持和更新。另外，很多VR应用只能提供有限的交互和体验，无法真正实现完整的虚拟现实体验。