虚拟现实

虚拟实境（Virtual reality，缩写VR），简称虚拟环境，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体验，通过和器，使使用者能够感受沉浸式体验。这种技术的应用范围涵盖娱乐（特别是电子游戏）、教育（例如医学或军事培训）和商业领域（如虚拟会议）。虚拟现实的另外两种显著类型是扩增实境和混合现实，有时统称为扩展现实或XR，尽管由于行业尚处初期，对其准确的定义目前仍在发生变化。
目前，标准的虚拟现实系统使用虚拟实境眼镜或多投影环境生成逼真的图像、声音和其他感觉，模拟使用者在虚拟环境中的真实存在。使用虚拟现实设备的人能够四处观察、移动，并与其他的虚拟功能或物品进行互动。通常情况下，这种效果是通过头戴式显示器创建的，该头盔包含一个戴在使用者眼前的萤幕，但也可以通过拥有多个大萤幕的特殊设计房间实现。虚拟现实通常包括和，同时也可以通过振动反馈提供其他感觉和力的反馈。
概念来源.
「虚拟」一词自15世纪中叶以来一直具有「在实质或效果上是某物，尽管实际上或事实上并非如此」的含义。自1959年以来，「虚拟」这个词在电脑上的含义是「不存在于现实，但被软件呈现」的概念。
「虚拟实境」术语的最早起源可以追溯到1938年，法国前卫剧作家安托南·阿尔托在一本名为《戏剧及其重影》的散文集中，将戏剧中人物和物体的虚幻性描述为“虚拟实境（la réalité virtuelle）。该书的英文翻译于1958年出版，名为《剧场及其重影》（The Theater and its Double），是针对「虚拟实境」一词的最早发表。「」这一术语则由创造，并从20世纪70年代使用至今。
1982年，「虚拟现实」的术语在的科幻小说《里斯曼达拉》（The Judas Mandala）中以首次作为科幻背景设定使用，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，但说明的并非是如今意义上的虚拟实境技术。
当代用法的「虚拟实境」则是由杰伦·拉尼尔和他的公司创造并推广。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和触觉输出设备虚拟现实的概念是由电影比如《（Brainstorm）》、《》才逐渐向大众普及的。20世纪90年代的VR研究热潮是伴随着的非小说类书籍《虚拟实境》（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。
形式与方法.
虚拟实境（VR）的主要实现方法涉及创造一个基于类比的虚拟世界。以驾驶模拟器为例，这种系统通过预测驾驶员的输入和模拟车辆的运动，提供相应的视觉、运动和听觉回馈，使驾驶员感受到实际驾驶的真实感。其中，一般的虚拟实境设备至少包含一个萤幕、一组感测器及一组计算元件，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、感测器则用来感知使用者的旋转角度、计算元件则收集感测器的资料，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，也是把手及定位器，用以侦测使用者的位置。
使用基于头像图像的虚拟实境，人们可以以实时影像和头像的形式参与虚拟环境。使用者可以使用标准头像或实时影像，在由三维计算机图形创造的虚拟环境中与其他人互动，参与的方式取决于系统的能力。在基于投影的虚拟实境中，针对现实环境的建模对各种虚拟实境应用也相当重要，包括机器人导航、建筑建模和飞机类比。基于图像的虚拟实境系统在计算机图形和计算机视觉领域中越来越受欢迎。在生成逼真模型时，需要准确注册获得的3D数据，通常使用摄影机对距离较近的小物体进行建模。
基于桌面的虚拟实境是指在常规计算机显示器上显示3D虚拟世界，而无需使用任何专业的虚拟实境定位追踪装置。这种技术广泛应用于第一人称视角游戏，使用各种触发器、响应性NPC角色和其他互动装置，使使用者感受自己置身于虚拟世界中。然而，这种沉浸形式普遍受到批评，因为它缺乏感，限制了使用者对周围环境的理解能力。
相比之下，头戴式显示器（HMD）能够更充分地让使用者沉浸在虚拟世界中。虚拟实境眼镜通常包括两个小型的高解析度OLED或LCD显示器，为每只3D眼镜提供单独的影像以实现立体图形渲染形成3D虚拟世界。这些HMD还配备声3D音效系统，以及提供六自由度运动的位置和旋转实时动作捕捉。一些HMD还提供带有触觉回馈的运动控制，使使用者能够以直观的方式在虚拟世界中进行物理互动，几乎没有抽象的概念，甚至还有提供更多身体运动的自由度，使使用者能够在任何方向上自由运动。
在其他分类中，扩增实境（AR）是一种将使用者在真实环境中看到的景象与由计算机软体生成的数位内容融合的虚拟实境技术。AR系统透过头戴式显示器、智慧型眼镜或行动装置的摄像机实时影像将虚拟资讯层叠在真实环境中，使使用者能够检视增强的三维影像。模拟现实是一种假设的扩增实境，该理论将能够使用户产生现实一样真正身临其境，能够实现先进的逼真体验，甚至达到虚拟上的「永恒」。
历史.
在文艺复兴时期，对于欧洲艺术中透视法的发展和查尔斯·惠斯通爵士发明的实体镜被视为虚拟实境的先驱。1935年，美国小说家的科幻小说《皮格马利翁的眼镜》（Pygmalion's Spectacles），被认为探讨虚拟现实系统的第一部科幻作品，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。
1950年至1970年.
1950年代，提出了一种「体验剧场」的概念，旨在以全方位的方式包含所有感官，让观众完全融入萤幕上的活动。他于1962年建造了他构想的原型，被称为「」的机械装置，同时制作了五部跨足多种感官，包括视觉、听觉、嗅觉和触觉的短片作为展示。此外，海利希还发明了他所称的「遥视头盔」（1960年申请专利），该头盔被描述为「用于个人使用的望远镜电视装置...观众可以完全感受到现实感，即彩色的移动三维图像，拥有100％的周边视野，双耳立体声声音，气味和微风。」
1968年，伊凡·苏泽兰在他的学生的协助下，创造了被广泛认为是用于沉浸式模拟应用的第一个头戴式显示器系统，名为《》。该系统在用户界面和视觉写实性方面相对原始，而用户佩戴的头戴式显示器非常沉重，必须悬挂在天花板上，技术上来说，这个装置可被视为一种扩增实境设备，因为它具有光学通过功能。该装置所呈现的虚拟环境是一个由简单的线框模型构成的房间。
1970年至1990年.
1970年至1990年期间，虚拟实境主要提供用于医学、飞行模拟、汽车工业设计和军事培训等用途的设备。
在1977年至1984年间，成为NASA喷气推进实验室首位制作可导航虚拟世界的艺术家。他创建的是一个粗糙的系统，允许用户在三种街头模式（夏季、冬季和三维）中徜徉科罗拉多州阿斯彭的街道，他于1978年在麻省理工学院创建。1979年，开发了大范围、额外透视（LEEP）光学系统。这一系统创造一个具有足够宽视野的立体影像，以实现令人信服的空间感。用户对系统提供的深度（视野）感觉以及相应的逼真感印象深刻。原始的LEEP系统于1985年为NASA的艾姆斯研究中心重新设计，用于由开发的首个虚拟现实装置VIEW（虚拟互动环境工作站）在此后，LEEP系统为大多数现代虚拟实境眼镜提供了基础。
到了1980年代末，「虚拟实境」这一术语由该领域的现代先驱之一杰伦·拉尼尔普及。拉尼尔于1984年创办了公司，该公司开发了多种虚拟现实设备，如、EyePhone、Reality Built For Two（RB2）和AudioSphere。VPL将有线手套技术授权给美泰儿，用于制造威力手套，成为当时最为经济实惠的虚拟实境设备使用。1982年，雅达利有限公司成立了一个虚拟实境研究实验室，然而受到1983年美国游戏业大萧条的影响导致公司在两年后关闭。旗下员工如拉尼尔、托马斯·G·齐默尔曼（Thomas G. Zimmerman） 、斯科特·费雪，和仍继续从事与虚拟实境相关技术的研究和开发。
1988年，Autodesk的网路空间专案成为首个在低成本个人电脑上实现虚拟实境的项目。项目负责人埃里克·古利克森（Eric Gullichsen）于1990年离开公司创立Sense8 Corporation，开发了WorldToolKit虚拟实境软体开发套件 ，该软体开发套件在电脑上提供了第一个实时材质贴图映射，并在整个产业和领域已广泛应用。
在此期间，=虚拟现实并不广为人知，然而随著媒体的报导在80年代末逐渐增加。并针对其概念提出多种讨论，如将其视为赛博朋克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。随著=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年至2000年.
1990年代是消费者头戴式设备首次大规模商业发售的时期。1992年，《电脑游戏世界》预测到「到1994年，VR 将成为人们买得起的产品」。
1991年，世嘉宣布推出用于Mega Drive家用游戏机的头戴式设备。该设备使用头盔上的LCD屏幕、立体声耳机和惯性感应器，使系统能够追踪并对用户头部的动作做出反应。同年，Virtuality Group公司推出了，成为第一个大规模生产、网络化、多人参与的虚拟现实娱乐系统。该系统在全球多个地方推出，包括在内河码头中心设置的电子游乐场。每个娱乐系统系统的成本高达73,000美元，配备头戴式设备和手套，提供了最早的「沉浸式」虚拟现实体验
同年，来自的、和创建了第一个立方体沉浸式房间，即。该系统则根据克鲁兹-内拉的博士论文所开发，皆产生一个多投影环境，允许人们看到他们的身体以及与房间中其他物体的关系。MIT毕业生兼NASA科学家安东尼奥·梅迪纳则设计了一个虚拟现实系统，可以实时「操控」地球上的火星探测器，尽管存在相当大的延迟。
1992年，创建了《天使》(Angels)，这是第一部实时互动的沉浸式电影，互动是通过数据手套和高分辨率眼镜实现的。同年，在美国空军创建了虚拟夹具系统，使用全身外骨骼，实现了物理上逼真的3D混合现实。该系统使物理真实的3D虚拟物体与用户对现实世界的直接视图相结合，实现了第一次真正的扩增现实体验，包括视觉、听觉和触觉。
到1994年7月，世嘉已经在欢乐城室内主题公园推出了动态模拟器游乐设施，以及电脑戦记街机游戏。两者均使用了一种先进的头戴式显示器，被称为与Virtuality合作开发的「Mega Visor Display」；;它能够在360度立体3D环境中追踪头部运动，由Sega Model 1街机系统板供电。 苹果则推出了QuickTime VR，虽然使用了「VR」一词，但无法表示虚拟实境，而是显示360度互动全景。用户可以观看、制作可拖拽的全景照片，并通过在不同角度拍摄的图像来观察物体。
1995年，任天堂的Virtual Boy游戏机发布 。西雅图的一个小组创建了名为「虚拟环境剧场」的「CAVE-like」270度沉浸式投影室的公共演示，由企业家切特·达吉特（Chet Dagit）和鲍伯‧雅各森制作 。Forté于同年推出了，这是一款由电脑供电的虚拟实境头戴式显示器。
1999年，企业家成立了，最初专注于VR硬件的开发。在早期形式中，该公司努力生产“The Rig”的商业版本，该版本以原型形式呈现为一个笨重的钢制装置，上面安装有多台电脑显示器，用户可以放在肩膀上。该概念后来被改编为基于个人计算机的3D虚拟世界程序《第二人生》。
21世纪.
2000年代是相对于商业化的虚拟现实技术而言，公众和投资都比较冷漠的时期。2001年，SAS3或SAS Cube成为第一个桌上型电脑立体空间，由Z-A生产，2001年4月在法国拉瓦尔完成。2007年，谷歌推出Google街景服务，显示越来越多的世界各地全景视图，如道路、室内建筑和农村地区。一个立体3D模式在2010年推出。
2010年-至今.
2010年，帕尔默·拉奇创办欧酷拉，设计虚拟实境头戴式显示器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。2016年4月27日，Mojang宣布Minecraft可以在三星Gear VR上使用。
2013年，Valve发现了低余晖技术的突破，使得VR内容的无延迟和无拖曳显示成为可能。这一突破被Oculus采用并使用于他们未来的所有耳机中。2014 年初，Valve展示SteamSight原型，该耳机具有独立的1K显示器、低余晖技术、大面积位置追踪以及菲涅耳透镜。2016年，HTC和Valve推出了个人电脑VR眼镜产品和控制器，包括Lighthouse追踪技术，使用壁挂式「基地台」进行位置追踪。
2014年，索尼宣布推出Project Morpheus（后来命名为PlayStation VR），是一款适用于PlayStation 4的虚拟实境头戴装置。同年，Google发布了Cardboard，一种DIY立体检视器，用户将智能手机放在纸板支架中戴在头上。成为 Google新VR部门的首位「驻店艺术家」。2015年，一款提供运动追踪和触觉回馈功能的手套Gloveone成功筹集了超过15万美元的Kickstarter资金。同年，雷蛇公司推出了专案。
截止至2016年，至少有230家公司在开发VR相关产品，包括亚马逊、苹果、Facebook、Google、微软、索尼和三星都有专门的AR和VR团队。动态双耳音讯在当年发布的大多数耳机中都很常见，但触觉介面尚未得到很好的发展，大多数硬体包都包含按钮操作的手机以实现基于触控的互动。从视觉上看，显示器的解析度和帧速率仍然足够低，影像仍然可以被识别为虚拟的。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。
2016年，HTC发售了第一批HTC Vive SteamVR耳机，标志著基于感测器追踪的第一个主要商业版本，允许使用者在定义的空间内自由移动。根据索尼在2017年提交的一项专利显示，他们正在开发一种与PlayStation VR的Vive类似的位置追踪技术，具有无线耳机的潜力。
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解析度电脑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。2019年，Oculus发布了Oculus Rift S和独立耳机Oculus Quest，这些耳机与前几代耳机中的外部由外向内跟踪不同，而是使用由内向外跟踪。同年，Valve发布了Valve Index，该耳机拥有130°视野、离耳式耳机、可单独追踪手指的控制器等功能。
2020年，Oculus发布了Oculus Quest 2，该耳机具有更清晰的萤幕、更低的价格和更高的性能。Facebook（后来更名为Meta）最初要求用户使用Facebook帐号登入才能使用新耳机。2021年，Oculus Quest 2占所有VR耳机销量的80%。2021年，欧盟航空安全局批准了第一个基于虚拟实境的飞行模拟训练设备，提高了旋翼机飞行员训练的安全性。
2023年，索尼发布了PlayStation VR2，该耳机配备由内而外的追踪、更高解析度的显示器、具有自适应触发器和触觉回馈的控制器以及更宽的视野。同年6月，苹果发表了Apple Vision Pro，这是他们首次涉足VR耳机市场的产品，混合使用AR和VR来产生视觉效果，并且是少数纯粹使用手部追踪而不使用其他控制器的主流耳机之一，支持即时翻译等技术。
沉浸式体验.
沉浸理论.
沉浸理论（Flow theory）在1975年由米哈里·契克森米哈伊在其著作《超越无聊和焦虑》（Beyond Boredom and Anxiety）中所提出，其书中解释为何当人们在进行某些日常活动时会完全投入情境中，并过滤掉所有不相关的感知与其它可能与外界产生的交互行为，此时参与者的感觉系统以一种与在真实环境中相同的方式来处理来自虚拟世界的视觉、听觉、触觉、嗅觉及味觉等感知行为。
有研究指出人们常会运用五感来做为非语言的讯息交流方式处理外界资讯，而五感中的视觉约占83%、听觉约占11%、其他触觉、嗅觉及味觉则会小于6%，因此也造就许多虚拟游戏系统的硬体设备皆以视觉刺激，来触发参与者的沉浸感为主。
显示器分辨率.
最小分辨率角(Minimal Angle of Resolution)，表示萤幕上两个像素之间的最小距离，在该距离以下观察者可清楚检视这两个独立的像素点，同时此两像素点的最小可分辨距离也同时会与观察者的观赏距离有关，通常 MAR 以弧秒为单位测量。对于一般民众而言，分辨率约为 30-65 秒的弧度，加上距离，就是常讲的空间解析度。如果用实际数字做粗略计算，观察者分别在距离1m和距离2m的地方观赏为范例，在1m的观赏距离，当两点间距小于0.29mm，一般人眼即无法清楚分辨出两个像素，而在2m的地方，点间距则要分开至0.58mm以下才会达到一样的效果。
影像延迟时间与萤幕刷新率.
大多数小尺寸的 LCD 萤幕所使用的60Hz 刷新率大约会引入约15 ms的额外延迟。如将刷新率提升至 120Hz 甚至 240Hz以上，显示器的延迟时间将降至 7ms 以下，因此能大副提升参与者的沉浸感，但在提高刷新率的同时，图形处理器（graphics processing unit, GPU）也要有能力可以处理高帧数 (frames per second, fps)的画面。
萤幕与人眼视野的对应关系.
除了够细致的画面外，另一个需要考虑的要素是人眼的「视野」，人类单眼可以接收的视野在水平视角部分约是120度，上下垂直则约为135度。如果同时考量到左眼和右眼的视野交集的部分，会有120度左右的范围是立体视觉（Stereopsis），因此整体来说，在双眼同时运作的情况下，人眼看出去的视野约有200度 x 135 度的范围，但由于大部分是周边视野（Peripheral vision），而周边视野的落差会因人而异，采用平均值160度的水平视野会是比较保守的估算。因此在人眼不移动同时不转动的情况下，一般参与者的视野范围至少会有160度x 135 度的立体空间，而此视野刚好为360度全方位视野的1/6。
因此如果将萤幕的可视面积与1/6的全方位视野之间的比值来将抽象的沉浸感具体数值化，如底下视觉沉浸系数公式(Immersive Index)。
formula_1
formula_2 formula_3 观赏者到显示器(display)的距离
实际上，
formula_4
formula_2 formula_3 观赏者到显示器(display)的距离 
疑虑.
人体健康.
虚拟实境被认为带来了一系列与人体健康和安全考虑相关因素。包括长时间使用可能引发多种不良症状，这些症状可能会减缓该技术的扩散。大多数虚拟实境系统都会附带消费者警告，其中包括癫痫发作、儿童发育问题、绊倒和跌倒、碰撞警告、不适感、重复性压力损伤，以及对医疗设备的干扰。某些使用者甚至在使用VR耳机时经历抽搐、癫痫发作或昏厥，即使他们以前没有相关症状。此类症状的发生率大约为每4,000人中的1人，即0.025%。短期内可能出现的不适感包括晕动病、眼睛疲劳、头痛和不适。儿童由于VR耳机的重量可能更容易感到不适，因此通常则建议儿童避免使用VR耳机。此外，使用者在配戴套装后再环境的物理互动中可能会出现其他问题。包括就会失去对现实世界环境的意识，并可能因绊倒或与现实世界的物体碰撞而受伤。。
与所有萤幕技术一样，长时间使用VR耳机可能导致眼睛疲劳，因为在观看萤幕时，人们通常会减少眨眼的频率，使眼睛更容易感到干燥。尽管一直有担心虚拟实境耳机可能导致近视，但实际上，如果所显示的影像焦距足够远，它们不一定会导致近视。
虚拟实境病（又称晕动病）是一种特殊的症状，当一个人在虚拟环境中感受到与晕动病相似的症状时，就会被归类为这种状态 。女性相对于男性更容易受到VR耳机引起的影响，约为77%和33%。最常见的症状包括全身不适、头痛、胃部不适、恶心、呕吐、脸色苍白、出汗、疲劳、嗜睡、迷失方向和冷漠。其中，Virtual Boy因其带来的不良的身体影响而受到批评，包括「头晕、恶心和头痛」。这些症状源于观看到的内容与身体其他部分感知到的内容之间的不一致，造成（VAC）。大约25-40%的人在使用虚拟现实时会出现某种程度的不适感，因此多数公司至今积极寻找减少不适感的方法。
近期的报导指出，虚拟实境使用可能与身体伤害有关，包括腿部、手部、手臂和肩部受伤。此外，VR使用也与颈部受伤和甚至死亡事件有关
儿童和青少年的影响.
对虚拟现实产生认识的儿童比例在历年逐渐提升，在美国的儿童调查中对VR一无所知的比例从2016年秋季（40％）降至2017年春季（19％），这一数字减少了一半。
根据Piper Sandler 2022年的研究报告，仅有26％的美国青少年拥有VR设备，其中5％每天使用，而48％的青少年拥有者「很少」使用。未拥有虚拟实境设备的青少年中，9％计划购买一个，而50％的受访青少年对元宇宙表示不确定或没有兴趣，并且没有计划购买VR设备。
研究表明，与成年人相比，年幼的儿童对虚拟实境可能有不同的认知和行为反应。虚拟实境将使用者直接带入媒体内容中，对于儿童而言，这可能使他们的体验更生动和真实。例如，6-18岁的儿童报告了与19-65岁的成年人相比对虚拟环境的存在感和「真实感」更高的水平。考虑到VR中存在的色情和暴力内容，对VR消费者行为以及其对儿童的影响进行深入研究是十分必要的。早期关于电子游戏中暴力的研究表明，暴露于媒体暴力可能会影响态度、行为，甚至是自我概念，尤其是在青少年中 。早期对观察和参与虚拟现实游戏的研究显示，与观察者相比，参与者在虚拟现实游戏中可能会有更高的生理激动和攻击性思想，但并没有增加敌意情感
儿童体验VR可能还涉及同时将虚拟世界的概念牢记在心中，同时又体验现实世界。过度使用具有极具感官特征的沉浸式技术可能损害儿童保持现实世界规则的能力，尤其是当佩戴封闭位置的VR头戴式显示器时，该设备会遮挡现实世界中物体的位置。对10名初次体验VR的儿童的观察表明，8-12岁的儿童在熟悉的情境中更有信心探索VR内容，例如儿童喜欢在《工作模拟器》的厨房情境中玩耍，并乐于挑战现实中不允许做的事情，比如放火。
隐私权.
所有VR系统所需的持续追踪使得这项技术特别适用于大规模监视，同时也更容易受到威胁。VR的扩展将增加个人行为、动态和反应信息的搜集潜力，并降低相应的成本。 眼动追踪器的数据，预计将成为虚拟现实头戴显示器的标配功能，可能间接揭示用户的种族、个性特征、恐惧、情感、兴趣、技能，以及身体和心理健康状况。
虚拟世界中性侵.
在虚拟世界中性侵，是否属性侵犯，这个问题引起社会中关注及争议。在英国，有一位少女向报方报案，称她在玩虚拟实境游戏时，游戏中的身份，遭多名陌生男玩家性侵。正式对这起事件进行调查，成为首宗虚拟性侵案件。警方认为，虽然元宇宙中性侵没有涉及实体的性侵，甚至没有身体接触，但玩家受到的心理创伤，与真实世界被性侵受害者相同。同时负责调查的警员也认为，一个能在虚拟实境中性侵的人，在现实生活中一样会做出类似可怕的事。不过，由于目前当地的法律要涉及身体接触才能构成强奸罪，因此该少女无法就现行法律下提出诉讼。但事件引起社会讨论，有警务人员和专家认为有需要为此进行立法，保护市民免受虚拟世界中被强奸或性侵。