虚拟现实

title: 概述.
content: 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-imagination(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。
title: 概念来源.
content: 术语"人造现实",由迈伦·克鲁格创造,并从20世纪70年代使用至今。然而,术语“虚拟现实”的起源可以追溯到法国剧作家,诗人,演员,和导演安托南·阿尔托。在他知名著作《戏剧及其重影(The Theatre and Its Double)》中(1938),阿尔托将剧院描述为“虚拟现实()”;美国作家埃里克·戴维斯将虚拟现实称为“角色、物体、图像在炼金术师的颅内幻想中律动”。阿尔托称“在几乎所有炼金术书籍中发现的对物质及戏院原理的永恒隐喻都应理解为身份的一种表述···而这种表述存在于角色、图像大体构成了戏院致力打造的"虚拟现实"和炼金术符号进化的纯虚构和虚幻的世界。”  这个词也被用在达米恩·布罗德里克(Damien Broderick)于1982年出版的科幻小说《The Judas Mandala》中,但其中使用的范围与上述定义有些不同。由牛津词典列举的最早使用是在1987年的一篇题为“Virtual Reality”的文章,但讲的却不是如今意义上虚拟现实技术。现在用法的“虚拟现实”是由杰伦·拉尼尔和他的公司VPL Research创造并推广的。VPL Research持有许多80年代中期的VR技术专利,他们开发了第一个被广泛使用的头戴式可视设备(Head Mount Display,HMD)EyePhone和触觉输出设备数据手套虚拟现实的概念是由电影比如《头脑风暴(Brainstorm)》、《割草者》才逐渐向大众普及的。20世纪90年代的VR研究热潮是伴随着霍华德·莱恩格尔德的非小说类书籍《虚拟现实》(1991)。这本书将这个名词去神秘化,使得更易于初级技术者和爱好者理解。
title: 历史.
title: 1950年之前.
content: 虚拟现实的概念首先来自于斯坦利·G·温鲍姆(Stanley G. Weinbaum)的科幻小说《皮格马利翁的眼镜(Pygmalion's Spectacles)》,被认为探讨虚拟现实的第一部科幻作品,简短的故事中详细地描述了包括嗅觉、触觉和全息护目镜为基础的虚拟现实系统。
title: 1950年至1970年.
content: 莫顿·海利希(Morton Heilig )在50年代创造一个“体验剧场”,可以有效涵盖所有的感觉,吸引观众注意屏幕上的活动。1962年,他建立一个原型被称为Sensorama,五部短片同时进行多种感官(视觉,听觉,嗅觉,触觉)。Sensorama是机械装置,据说今天仍在使用。大约在同一时间,道格拉斯·恩格尔巴特使用电脑屏幕当作输入和输出设备。  1968年,伊凡·苏泽兰与学生Bob Sproull创造第一个虚拟现实及扩增实境头戴式显示器系统。这种头戴式显示器相当原始,也相当沉重,不得不被悬挂在天花板上。该设备被称为达摩克利斯之剑(The Sword of Damocles)。
title: 1970年至1990年.
content: 早期的虚拟现实中,值得注意的是阿斯电影地图(Aspen Movie Map),它由麻省理工学院于1978年创建,背景是科罗拉多州阿斯彭,用户可以徜徉在三种街头模式:夏季、冬季和三维模式。前两个模式无论春夏秋冬由研究人员实际拍摄城市街道每一个运动。  Atari公司在1982年成立虚拟现实研究实验室,但是两年后关闭。然而汤姆·齐默尔曼,斯科特·费舍尔,贾瑞恩·拉尼尔仍持续对虚拟现实相关技术的研究和开发。  到了80年代,贾瑞恩·拉尼尔(Jaron Lanier)使“虚拟现实”广为人知。拉尼尔于1985年创办VPL Research研究几种虚拟现实设备,如数据手套、眼睛电话、音量控制。  在此期间,虚拟现实并不广为人知,媒体报导在80年代末逐渐增加。虚拟现实来自边缘文化,例如赛博朋克视为社会变革的潜在手段,毒品文化则称赞虚拟现实不仅是一种新的艺术形式,更是一个全新的领域。虚拟现实开始吸引媒体的报导,人们开始意识到虚拟现实潜力。有些媒体甚至将虚拟现实与莱特兄弟发明飞机相比。  1990年,Jonathan Waldern在伦敦亚历山德拉宫举行的电脑图形90展览会展示“虚拟性”(Virtuality)。这个新系统是种街机,使用虚拟耳机。
title: 1990年至2000年.
content: 1991年,SEGA发行SEGA VR虚拟现实耳机街机游戏和Mega Drive。它使用液晶显示屏幕,立体声耳机和惯性传感器,让系统可以追踪并反应用户头部运动。  同年,游戏Virtuality推出,并成为第一大多人虚拟现实网络娱乐系统。它在许多国家发行,包括旧金山内河码头中心一个专门虚拟现实商场。每台Virtuality系统成本为73,000美元,包含头盔和外骨骼手套,是第一个三维虚拟现实系统。  麻省理工学院科学家安东尼奥·梅迪纳设计一个虚拟现实系统,从地球“驾驶”火星车,尽管信号严重延误。该系统被称为“电脑模拟遥控操作”,是虚拟现实的延伸  1991年,罗莱·克鲁兹·内拉(Carolina Cruz-Neira),丹尼尔·J·桑丁和Thomas A. DeFanti在电子可视化实验室创建第一个可视化立方房间,人们可以看到周遭的其他人。  1994年,SEGA发行SEGA VR-1运动模拟器街机,它能够跟踪头部运动并制造立体3D图像。  1994年,苹果发布QuickTime VR格式。它是与VR广泛连结使用的产品。  1995年7月21日,任天堂完成Virtual Boy并在日本发布。  1995年,西雅图一个组织创造一个「洞穴般的270度沉浸式投影室」,称为虚拟环境剧场。1996年,同一系统在Netscape Communications主办展览会中发表,首次展示虚拟现实连接到网络,内容提要与VRML 3D虚拟世界相连结。  1995年,个人电脑供电的虚拟现实耳机VFX1 Headgear出现,它支持游戏包含天旋地转、星球大战:黑暗力量、System Shock和雷神之锤 (游戏)。  1999年,企业家菲利普·罗斯戴尔(Philip Rosedale)组织林登实验室(Linden Lab),最初的重点是硬件,使电脑用户完全沉浸在360度虚拟现实中。
title: 2001年-2018年.
content: 2001年,SAS3或SAS Cube成为第一个台式电脑立体空间,由Z-A生产,2001年4月在法国拉瓦尔完成。  2007年,谷歌推出街景视图,显示越来越多的世界各地全景,如道路,建筑物和农村地区。一个立体3D模式在2010年推出。  2010年,帕尔默·拉奇创办欧酷拉,设计虚拟现实头戴式显示器Oculus Rift。  2013年,任天堂申请专利,提出使用虚拟现实技术概念使2D电视拥有更逼真的3D效果。  2015年7月,OnePlus成为第一家利用虚拟现实推出产品的公司。他们用虚拟现实的平台推出OnePlus 2,在谷歌应用程序Play商店,YouTube上发布。  2015年,Jaunt开发照相机和云端平台。  2016年4月27日,Mojang宣布Minecraft可以在三星Gear VR上使用。  2016年7月,宏达电与电玩商Valve推出个人电脑VR眼镜产品HTC Vive.  2016年7月,指挥家VRconductorVR发布全球首个大空间多人交互VR行业应用。  2018年1月,上海一个团队首先突破技术难点,于CES大会上推出了商用化的个人8K分辨率电脑VR眼镜,两眼各4K,有效消除了近距观看显示器时人眼的纱窗效应。
title: 技术与设备.
content: 一般的虚拟现实设备至少包含一个萤幕、一组传感器及一组计算元件,这些东西被组装在这个设备中.萤幕用来显示仿真的影像,投射在使用者的视网膜上、传感器则用来感知使用者的旋转角度、计算元件则收集传感器的资料,决定萤幕显示的画面为何.  额外的设备可能包括一台高阶电脑,用以补充计算元件的不足. 也可能有一对把手及定位器,用以侦测使用者的位置.  对萤幕最重要的要求是反应时间,目前电脑、手机等设备所使用的萤幕多为 TFT-LCD,反应时间太长难以满足虚拟现实的要求,这也是行动虚拟现实最大的挑战.当前所知效果最好的萤幕为 OLED,但全世界能够达到足够品质要求的公司寥寥无几.
title: 应用场景.
title: 影视影业.
content: 当前,虚拟现实技术在影视制作中的应用,主要是通过构建出可与影视场景交互的虚幻三维空间场景,结合对观众的头、眼、手等部位动作捕捉,及时调整影像呈现内容,继而形成人景互动的独特体验。由于目前 VR 影业尚不成熟,在实际制作中会遇到许多困难,如导演人选、拍摄无分镜、剧情的呈现方式等。
title: 网络直播.
content: 传统方式的视频直播中,观众往往不能全方位了解直播对象周围环境状况,无法切身感受现场氛围,而 VR 直播将活动现场还原到虚拟空间中,其优势在于:  此外,VR 直播也面临着多种挑战,如全景相机拼接算法尚不成熟、对网络环境要求较高、传输格式标准未统一带来的渲染制作和编解码等诸多环节问题。
title: 线下主题馆.
content: VR 线下主题馆将传统电竞与虚拟现实技术相结合,结合大空间光学动作捕捉系统、精确的多相机同步管理运算系统与特殊体感交互设备等,玩家可以化身为游戏中的虚拟角色,在特定游戏场景中自由行动,同时借助本地网络环境或云平台,让多人、多地的在线合作或对抗成为可能,极大增强了游戏可玩性和趣味性。
title: 数字展馆.
content: 传统展馆多采用展品陈列、图片展示、人员讲解等方式向观众传达信息,难以实现多角度欣赏、近距离观看功能,很难快速吸引观众兴趣。虚拟现实技术与展馆展示相结合,不仅体现了其开放、共享、多媒体呈现的特点,数字化呈现实体展的全部内容,还突破实体展的时空局限性,利用图文、视频、三维模型等深度资料,对重点展品进行延展和补充,加强了可视化的网络互动体验,使得展览内容更丰富和多样。
title: 文物保护.
content: 将虚拟现实技术应用于物保护工作,可以建立数字化的文物保护方法,为文物的保存、修复和展示提供了新的技术手段,让历史得以数字化再现,文明得以信息化传承。如2017 年,兵马俑实施了200亿像素360°全景兵马俑坑展示工程和AI秦始皇兵马俑复原工程。其中200亿像素360°全景兵马俑坑展示工程采用了矩阵全景技术,收录了兵马俑的一号坑和三号坑的高精度全景图资料。
title: 科研教学.
content: 相比传统的训练方式,医学生使用实体(如小白鼠)解剖的成本不低,且通常无法重复利用。虚拟现实技术则可以帮助医学生在虚拟手术台上反复练习,虽然仍无法完全取代真实练习,但已经可以作为预习和强化记忆的手段,具备在医学领域推广应用条件。
title: 课堂教学.
content: 在教育场景,虚拟现实技术可通过自然的交互方式,将抽象的学习内容可视化、形象化,为学生提供传统教材无法实现的沉浸式学习体验,提升学生获取知识主动性,实现更高的知识保留度。目前,教育已成为虚拟现实应用行业中发展最快也是最先落地的领域,随着政策的鼓励和市场的驱动,预计虚拟现实教育市场还将持续增长。
title: 运维巡检.
content: 工业生产制造过程中,为维护设备安全稳定运行而展开的运维巡检工作量非常巨大,虚拟现实技术的到来,使生产人员可以通过安全的数据可视化头显对设备运转状态、生产环境以及潜在隐患等关键信息进行监测和排查,有利于全面、准确、实时了解整体生产制造情况,从而提高生产安全系数和生产效率。
title: 安全消防.
content: 虚拟现实技术的发展填补了安全消防教育在感知交互需求方面的空白,通过构造出特定的安防培训场景,将传统的教学元素如图形和数据嵌入到生动虚拟环境中,通过模拟特定的危险情景,更容易激发体验者的紧张感并提升专注度,强化事故演练效果。
title: 自动驾驶.
content: 在不能无限扩大自动驾驶测试车队规模的情况下,通过虚拟现实技术模拟真实道路环境进行测试成为业界主流解决方案,如使用 NVIDIA DGX 和 Tensor RT 3 进行仿真,工程师可以加快道路测试,加快自动驾驶汽车研发量产进度。
title: 产品设计.
content: 以工业互联网或物联网平台为基础,虚拟现实成为实现数字孪生(Digital Twins)的核心技术之一。依托特定工具软件可以在虚拟空间中构建出与物理世界完全对等的数字镜像,成为将产品研发、生产制造、商业推广三个维度的数据全部汇集的基础,实现了数据信息与真实物理环境间的互动,为进行阶段性数据验证、业务流程参考的提供了重要支撑。
title: 商业营销.
content: 虚拟现实+商业营销是利用虚拟现实技术,使消费者获得逼真的感官体验,充分调动消费者的感性基因,从而影响其消费决策。虚拟现实+商业营销分为线上和线下两种方式。线上营销是电商 2.0 版,VR/AR电商通过三维建模技术与VR/AR设备以及交互体验,可以带给消费者更好的消费体验,线下营销则是在产品的实体店或是展示活动现场利用VR/AR设备给消费者带来有趣的互动体验,增加消费者的兴趣与购买欲。例如房地产行业,通过使用虚拟现实技术,看房者在线上即可浏览房源的全貌,步入房间查看细节,除了沉浸式的体验之外,还可以得到房间长、宽、高、年限、周边配套等全方位数据展示,便于全面掌握房屋信息;对于开发商或中介商来说,通过分析用户行为数据,可实现房源精准推销的同时节省人力资源投入成本,有助于提升业务成交效率和企业运营收益。
title: 健康疑虑.
content: 过度使用可能对身体健康造成伤害。 目前最广为人所知的是一种称之为「VR晕」的症状,意思就是连续使用 VR 产品超过一段时间(或为大约20分钟),即会产生类似晕车般头晕目眩的效果。这种症状是由于视觉所看到的影像与身体内部感知到的状况不一致所造成。例如一个人的身体内部感知觉得往前跨了一步,但视觉上的影像并没有如预期般后退,视觉影像与人体预期感觉发生冲突,像这样不一致的状况维持超过一段时间就会产生头晕的症状。

Summary: 虚拟现实(英语:virtual reality,缩写VR),简称虚拟技术,也称虚拟环境,是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉等感官的模拟,让使用者感觉仿佛身历其境,可以即时、没有限制地观察三维空间内的事物。使用者进行位置移动时,电脑可以立即进行复杂的运算,将精确的三维世界影像传回产生临场感。该技术整合了电脑图形、电脑仿真、人工智能、感应、显示及网络并列处理等技术的最新发展成果,是一种由电脑技术辅助生成的高技术模拟系统。