虚拟现实VR的相关知识

概 述

虚拟实境（Virtual Reality），简称VR技术，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，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。虚拟现实（VR），看到的场景和人物全是假的，是把人的意识代入一个虚拟的世界。

特 征

多感知性

指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。

存在感

指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度。

交互性

指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。

自主性

指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。

技 术 特 点

VR艺术是伴随着“虚拟现实时代”的来临应运而生的一种新兴而独立的艺术门类，在《虚拟现实艺术： 形而上的终极再创造》一文中，关于VR艺术有如下的定义：“以虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等人工智能技术作为媒介手段加以运用的艺术形式，我们称之为虚拟现实艺术，简称VR艺术。该艺术形式的主要特点是超文本性和交互性。”

“作为现代科技前沿的综合体现，VR艺术是通过人机界面对复杂数据进行可视化操作与交互的一种新的艺术语言形式，它吸引艺术家的重要之处，在于艺术思维与科技工具的密切交融和二者深层渗透所产生的全新的认知体验。与传统视窗操作下的新媒体艺术相比，交互性和扩展的人机对话，是VR艺术呈现其独特优势的关键所在。从整体意义上说，VR艺术是以新型人机对话为基础的交互性的艺术形式，其最大优势在于建构作品与参与者的对话，通过对话揭示意义生成的过程。

艺术家通过对VR、AR等技术的应用，可以采用更为自然的人机交互手段控制作品的形式，塑造出更具沉浸感的艺术环境和现实情况下不能实现的梦想，并赋予创造的过程以新的含义。如具有VR性质的交互装置系统可以设置观众穿越多重感官的交互通道以及穿越装置的过程，艺术家可以借助软件和硬件的顺畅配合来促进参与者与作品之间的沟通与反馈，创造良好的参与性和可操控性；也可以通过视频界面进行动作捕捉，储存访问者的行为片段，以保持参与者的意识增强性为基础，同步放映增强效果和重新塑造、处理过的影像；通过增强现实、混合现实等形式，将数字世界和真实世界结合在一起，观众可以通过自身动作控制投影的文本，如数据手套可以提供力的反馈，可移动的场景、360度旋转的球体空间不仅增强了作品的沉浸感，而且可以使观众进入作品的内部，操纵它、观察它的过程，甚至赋予观众参与再创造的机会。

主 要 应 用

医学

VR在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，学生可以很容易了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。借助于HMD及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指导下工作等。手术后果预测及改善残疾人生恬状况，乃至新型药物的研制等方面，VR技术都有十分重要的意义。

在医学院校，学生可在虚拟实验室中，进行“尸体”解剖和各种手术练习。用这项技术，由于不受标本、场地等的限制，所以培训费用大大降低。一些用于医学培训、实习和研究的虚拟现实系统，仿真程度非常高，其优越性和效果是不可估量和不可比拟的。例如，导管插入动脉的模拟器，可以使学生反复实践导管插入动脉时的操作；眼睛手术模拟器，根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像，并带有实时的触觉反馈，学生利用它可以观察模拟移去晶状体的全过程，并观察到眼睛前部结构的血管、虹膜和巩膜组织及角膜的透明度等。还有麻醉虚拟现实系统、口腔手术模拟器等。

外科医生在真正动手术之前，通过虚拟现实技术的帮助，能在显示器上重复地模拟手术，移动人体内的器官，寻找最佳手术方案并提高熟练度。在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生活状况，乃至新药研制等方面，虚拟现实技术都能发挥十分重要的作用。 [1]

娱乐

丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对VR的真实感要求不是太高，故近些年来VR在该方面发展最为迅猛。如Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的VR游戏系统，配有HMD，大大增强了真实感；1992年的一台称为“Legeal Qust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度VR产品奖。另外在家庭娱乐方面VR也显示出了很好的前景。

作为传输显示信息的媒体，VR在未来艺术领域方面所具有的潜在应用能力也不可低估。VR所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的，可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。另外，VR提高了艺术表现能力，如一个虚拟的音乐家可以演奏各种各样的乐器，手足不便的人或远在外地的人可以在他生活的居室中去虚拟的音乐厅欣赏音乐会等等。

对艺术的潜在应用价值同样适用于教育，如在解释一些复杂的系统抽象的概念如量子物理等方面，VR是非常有力的工具，Lofin等人在1993年建立了一个“虚拟的物理实验室”，用于解释某些物理概念，如位置与速度，力量与位移等。

室内设计

虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具。它以视觉形式反映了设计者的思想，比如装修房屋之前，你首先要做的事是对房屋的结构、外形做细致的构思，为了使之定量化，你还需设计许多图纸，当然这 些图纸只能内行人读懂，虚拟现实可以把这种构思变成看得见的虚拟物体和环境，使以往只能借助传统的设计模式提升到数字化的即看即所得的完美境界，大大提高了设计和规划的质量与效率。运用虚拟现实技术，设计者可以完全按照自己的构思去构建装饰“虚拟”的房间，并可以任意变换自己在房间中的位置，去观察设计的效果，直到满意为止。既节约了时间，又节省了做模型的费用。

五 大 障 碍

虚拟现实技术未来将会发展成一种改变我们生活方式的新突破。在第一代Oculus Rift的开发者大会上，所有与会者都看到了一个充满潜力的虚拟现实平台。但是从现在来看，虚拟现实技术想要真正进入消费级市场，还有一段很长的路要走，包括Oculus公司在内。在Oculus内部，也对虚拟现实技术现在面对的问题进行了讨论，并且不断的在寻找解决方法。虽然所有问题最终都会找到答案，但是都不太可能在一夜之间全部解决。

目前，开发者如何为用户提供一个真正身临其境的游戏或应用体验还存在比较大的技术局限性，而一些问题到现在仍然还没有很好的解决办法。

没有真正进入虚拟世界的方法

在Oculus Rift开发圈有一个著名的笑话，每当有人让使用者站起来走走时，对方通常都不敢轻易走动，因为Oculus Rift还依然要通过线缆连接到计算设备上，而这也大幅限制了使用者的活动范围。

包括Oculus Rift在内的各种虚拟现实装备依然在阻挡着用户和虚拟世界之间的交流。这些装置盖住了我们的眼睛，只是改变了我们的视线，但是并非涵盖了我们所有的视野范围。本来笨手笨脚的配合鼠标和键盘使用就已经非常尴尬，而任何尝试大范围移动的行为都会被各种线缆束缚。

“我们不希望用户因此而受到伤害。”Oculus VR创始人Palmer Luckey表示。

部分开发者曾经考虑专门创建一个房间来供虚拟现实设备使用，但是问题似乎并不会如此简单的就被解决。在游戏中真正身临其境的体验包括了蹲、躲避甚至是攀爬等动作，而这些目前来看还无法给使用者带来逼真的沉浸式体验。

虽然现在有一些第三方的解决方案，比如Virtuix Omni跑步机可以让玩家在固定的空间内安全的模拟移动，但是这些大家伙通常价格昂贵，并不是普通玩家所能承受的负担。

如何“输入”也是一大困扰

虚拟现实更大的挑战也许是如何在虚拟世界中与目标进行互动。Oculus Rift只是对用户的头部进行跟踪，但是并不能追踪身体的其它部位。比如玩家的手部动作现在就无法真正模拟。“输入是能够给用户带来最重要和明显的体验，如果不能模拟动作，用户总会找不到自己的手在哪里。”Luckey表示。

虚拟现实如何输入是游戏开发者和硬件制造商目前非常大的困扰。虽然现在Xbox的手柄已经可以成为PC的控制器，但是在实际应用中还缺乏一些经验。其它控制装置，比如Razer Hydra和STEM系统，虽然都给出了很多承诺，但是依然还是不能模拟使用者的双手。

目前还没有明确的方法来知道如何具体的实现虚拟现实技术在手势上的追踪。“我们都知道有些事物不太对劲，他们已经妨碍了我们与虚拟世界之间的沟通。”Luckey说。Oculus似乎依然在开发属于自己的输入设备，但是目前还没有太大的成果。

“有些人在采取措施，但是目前大家都不知道自己要做的是什么。虽然有控制器、还有枪，但是我们需要的是一种专门为虚拟现实设备开发的专用输入设备，并且会成为主流。它不一定很完美，但是必须要超越一把剑、一支枪甚至是一双手。这是非常困难的，不过模拟一只手要比枪难度更大。”他表示。

缺乏统一的标准

虚拟现实技术目前仍处于初级阶段，毫无疑问，对于这个平台大家都有着各自的演示方法，无论是粗糙还是漂亮，最关键的也就是最后的几分钟。虽然许多开发者对虚拟现实充满了热情，但是似乎大家都没有一个统一的标准。

作为一个全新的平台，只有引起人们的兴趣才能取得成功，包括实际的体验。DVD电影、游戏机甚至是YouTube现在都已经变得无处不在，就因为许多人都对他们有兴趣。同样，虚拟现实技术想要引人注目，就必须吸引的不只是专业爱好者。尤其是对于那些年长一些或者非科技爱好者来说，同样非常重要。

“有些技术刚开始看起来很酷，但是慢慢就变得没那么有吸引力了。显然虚拟现实平台想要成长成参天大树，还需要多年的时间。”Luckey表示。

游戏体验也许并不需要用户了解多么多的专业技术，只需要提供一个逼真的虚拟现实体验即可。Luckey指出人们通常都喜欢大多数人喜欢的事物，同样，分享才能带来更多的乐趣。

现在还有许多虚拟现实技术不止关注游戏领域，比如Oculus Rift就为三星的Gear VR开发了两款应用，一款是专门用来欣赏电影，另外一款则是360度全方位的照片查看工具。

“这些工具的实用性非常重要，因为很多人会多次反复使用。”Oculus VR产品副总裁Nate Mitchell说。“这就像是现在的智能手机，虽然它用来听音乐并不是最好效果的那个，但是至少想听的时候随时都可以，这很方便。我尝试过用虚拟现实装置看电影，效果真的很棒。”

容易让人感到疲劳

所有游戏开发商或电影制作公司都应该了解如何在虚拟现实场景中不同的使用摄像机。移动着观看和静坐观看，二者带来的体验是截然不同的。镜头的加速移动，就会带来不同的焦点，而这些如果运用不当，就会给用户带来恶心的感觉。甚至如果镜头移动的过于迅速，直接会暂时影响用户的视力。

有些人要更敏感，更容易眩晕。虽然Oculus VR首席执行官Brendan Iribe表示最新的产品可以避免为用户带来身体不适，但是仍然需要用户亲身体验过才行。目前还有一些研究显示，女性通常要比男性更容易对这些设备产生不适（另外很少有女性会参与到虚拟现实装置的测试体验）。

看起来还是有点蠢

最后一点虽然看起来有些肤浅，但是同样很重要。虽然是一款专业的游戏设备，但是现在我们佩戴起来非常笨重并且不自然，甚至看起来有些愚蠢。虽然目前我们不知道最终版的Oculus Rift会是什么样子，但是从目前来看，想要让它变得轻盈似乎不太可能。

虽然Oculus Rift不是在公共场所使用的设备，但是普通用户绝对也接受不了它们现在的样子。不过这些问题并非不可解决，大多数熟悉虚拟现实装备的开发者都表示，未来关于设备的外观变得更漂亮并不是一件困难的事情。

虽然虚拟现实技术现在看起来还非常初级，但是终有一天它将成为我们与计算机交互方式最大的一种转型，改变人们与科技之间的关系。虚拟现实技术未来最终将让我们与虚拟世界之间，更加自然的交互。

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