虚拟现实

虛擬實境（，縮寫VR），簡稱虛擬環境，是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關於視覺等感官的模擬，讓使用者感覺彷彿身歷其境，可以臨時、沒有限制地觀察三維空間內的事物。使用者進行位置移動時，電腦可以立即進行複雜的運算，將精確的三維世界影像傳回產生臨場感。該技術整合了電腦形狀、電腦逼真、人工智慧、感應、顯示及網路並列處理等技術的最新發展成果，是一種由電腦技術輔助生成的高技術模擬系統。

概念來源

術語“”，由創造，並從20世紀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），阿爾托將劇院描述為“虛擬實境（）”；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。”

這個詞也被用在达米恩·布罗德里克（Damien Broderick）于1982年出版的科幻小說《The Judas Mandala》中，但其中使用的範圍與上述定義有些不同。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，但講的卻不是如今意義上虛擬實境技術。現在用法的“虛擬實境”是由杰伦·拉尼尔和他的公司創造并推廣的。VPL Research持有許多80年代中期的VR技術專利，他們開發了第一個被廣泛使用的頭戴式可视设备（Head Mount Display，HMD）EyePhone和觸覺輸出設備虚拟现实的概念是由电影比如《（Brainstorm）》、《》才逐漸向大眾普及的。20世纪90年代的VR研究热潮是伴随着的非小说类书籍《虛擬實境》（1991）。這本書將這個名詞去神秘化，使得更易於初級技術者和愛好者理解。

歷史

1950年之前

虛擬實境的概念首先來自於斯坦利·G·温鲍姆（Stanley G. Weinbaum）的科幻小說《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，简短的故事中詳細地描述了包括嗅觉、觸觉和全息护目镜为基础的虚拟现实系统。

1950年至1970年
莫頓·海利希（Morton Heilig
）在50年代創造一個“體驗劇場”，可以有效涵蓋所有的感覺，吸引觀眾注意屏幕上的活動。1962年，他建立一個原型被稱為Sensorama，五部短片同時進行多種感官（視覺，聽覺，嗅覺，觸覺）。Sensorama是機械裝置，據說今天仍在使用。大約在同一時間，道格拉斯·恩格尔巴特使用電腦屏幕當作輸入和輸出設備。

1968年，伊凡·蘇澤蘭與學生Bob Sproull創造第一個虛擬現實及擴增實境頭戴式顯示器系統。這種頭戴式顯示器相當原始，也相當沉重，不得不被懸掛在天花板上。該設備被稱為達摩克利斯之劍（The Sword of Damocles）。

1970年至1990年
早期的虛擬現實中，值得注意的是阿斯電影地圖（Aspen Movie Map），它由麻省理工學院於1978年創建，背景是科羅拉多州阿斯彭，用戶可以徜徉在三種街頭模式：夏季、冬季和三維模式。前兩個模式無論春夏秋冬由研究人員實際拍攝城市街道每一個運動。

Atari公司在1982年成立虛擬現實研究實驗室，但是兩年後關閉。然而湯姆·齊默爾曼，斯科特·費舍爾，賈瑞恩·拉尼爾仍持續對虛擬現實相關技術的研究和開發。

到了80年代，賈瑞恩·拉尼爾（Jaron Lanier）使“虛擬現實”廣為人知。拉尼爾於1985年創辦VPL Research研究幾種虛擬現實設備，如數據手套、眼睛電話、音量控制。

在此期間，虛擬現實並不廣為人知，媒體報導在80年代末逐漸增加。虛擬現實來自邊緣文化，例如賽博朋克視為社會變革的潛在手段，毒品文化則稱讚虛擬現實不僅是一種新的藝術形式，更是一個全新的領域。虛擬現實開始吸引媒體的報導，人們開始意識到虛擬現實潛力。有些媒體甚至將虛擬現實與萊特兄弟發明飛機相比。

1990年，Jonathan Waldern在倫敦亞歷山德拉宮舉行的電腦圖形90展覽會展示“虛擬性”（Virtuality）。這個新系統是種街機，使用虛擬耳機。

1990年至2000年
1991年，SEGA發行SEGA VR虚拟现实耳機街機遊戲和Mega Drive。它使用液晶顯示屏幕，立體聲耳機和慣性傳感器，讓系統可以追踪並反應用戶頭部運動。

同年，遊戲Virtuality推出，並成為第一大多人虚拟现实網路娛樂系統。它在許多國家發行，包括舊金山內河碼頭中心一個專門虚拟现实商場。每台Virtuality系統成本為73,000美元，包含頭盔和外骨骼手套，是第一個三維虛擬實境系統。

麻省理工學院科學家安東尼奧·梅迪納設計一個虛擬現實系統，從地球“駕駛”火星車，儘管信號嚴重延誤。該系統被稱為“電腦模擬遙控操作”，是虛擬現實的延伸
。

1991年，羅萊·克魯茲·內拉（Carolina Cruz-Neira），丹尼爾·J·桑丁和Thomas A. DeFanti在電子可視化實驗室創建第一個可視化立方房間，人們可以看到周遭的其他人。

1994年，SEGA發行SEGA VR-1運動模擬器街機，它能夠跟踪頭部運動並製造立體3D圖像。

1994年，蘋果發布QuickTime VR格式。它是與VR廣泛連結使用的產品。

1995年7月21日，任天堂完成Virtual Boy並在日本發布。

1995年，西雅圖一個組織創造一個「洞穴般的270度沉浸式投影室」，稱為虛擬環境劇場。1996年，同一系統在Netscape Communications主辦展覽會中發表，首次展示虛擬現實連接到網路，內容提要與VRML 3D虛擬世界相連結。

1995年，個人電腦供電的虛擬現實耳機VFX1 Headgear出現，它支持遊戲包含天旋地轉、星球大戰：黑暗力量、System Shock和雷神之鎚 (遊戲)。

1999年，企業家菲利普·羅斯戴爾（Philip Rosedale）組織林登實驗室（Linden Lab），最初的重點是硬件，使電腦用戶完全沉浸在360度虛擬現實中。

2001年-至今

2001年，SAS3或SAS Cube成為第一個桌上型電腦立體空間，由Z-A生產，2001年4月在法國拉瓦爾完成。

2007年，谷歌推出街景視圖，顯示越來越多的世界各地全景，如道路，建築物和農村地區。一個立體3D模式在2010年推出。

2010年，帕爾默·拉奇創辦歐酷拉，設計虛擬實境頭戴式顯示器Oculus Rift。

2013年，任天堂申請專利，提出使用虛擬現實技術概念使2D電視擁有更逼真的3D效果。

2015年7月，OnePlus成為第一家利用虛擬現實推出產品的公司。他們用虛擬現實的平台推出OnePlus 2，在谷歌應用程序Play商店，YouTube上發布。

2016年4月27日，Mojang宣布Minecraft可以在三星Gear VR上使用。

2016年7月，宏達電與電玩商Valve推出個人電腦VR眼鏡產品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，上海一個團隊首先突破技術難點，於CES大會上推出了商用化的個人8K解析度電腦VR眼鏡，兩眼各4K，有效消除了近距觀看顯示器時人眼的紗窗效應。

技術與設備
一般的虛擬實境設備至少包含一個螢幕、一組感測器及一組計算元件，這些東西被組裝在這個設備中．螢幕用來顯示仿真的影像，投射在使用者的視網膜上、感測器則用來感知使用者的旋轉角度、計算元件則收集感測器的資料，決定螢幕顯示的畫面為何．

額外的設備可能包括一台高階電腦，用以補充計算元件的不足．
也可能有一對把手及定位器，用以偵測使用者的位置．

對螢幕最重要的要求是反應時間，目前電腦、手機等設備所使用的螢幕多為 TFT-LCD，反應時間太長難以滿足虛擬實境的要求，這也是行動虛擬實境最大的挑戰．當前所知效果最好的螢幕為 OLED，但全世界能夠達到足夠品質要求的公司寥寥無幾．

截至 2016 年，至少超過200 家科技公司在開發 VR 相關產品。 例如知名科技巨頭亞馬遜、蘋果、臉書、谷歌、微軟、索尼和三星等都有專門的 AR 和 VR 小組。由於大部分虛擬實境技術都著重在視覺體驗上，因此系統中的螢幕將藉由顯示器分辨率、影像延遲時間、螢幕刷新率和螢幕與人眼視野的對應關係等四項特性會強烈影響參與者的沉浸體驗。例如當顯示器的分辨率以及刷新率過低時，影像由於不流暢呈現方式，仍會讓參與者可以識別影像為虛擬影像，而不夠寬廣的螢幕視野則會讓人有機會在特定角度下，非自願性的脫離虛擬影像，進而影響沉浸感。

視覺沉浸式體驗

沉浸理論 
沉浸理論（Flow theory）在1975年由Csikszentmihalyi在其著作Beyond Boredom and Anxiety中所提出，其書中解釋為何當人們在進行某些日常活動時會完全投入情境中，並過濾掉所有不相關的感知與其它可能與外界產生的交互行為，此時參與者的感覺系統以一種與在真實環境中相同的方式來處理來自虛擬世界的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺及味覺等感知行為。

有研究指出人們常會運用五感來做為非語言的訊息交流方式處理外界資訊，而五感中的視覺約占83%、聽覺約占11%、其他觸覺、嗅覺及味覺則會小於6%，因此也造就許多虛擬遊戲系統的硬體設備皆以視覺刺激來觸發參與者的沉浸感為主。

顯示器分辨率 
最小分辨率角(Minimal Angle of Resolution)，表示螢幕上兩個像素之間的最小距離，在該距離以下觀察者可清楚檢視這兩個獨立的像素點，同時此兩像素點的最小可分辨距離也同時會與觀察者的觀賞距離有關，通常 MAR 以弧秒為單位測量。對於一般民眾而言，分辨率約為 30-65 秒的弧度，加上距離，就是常講的空間解析度。如果用實際數字做粗略計算，觀察者分別在距離1m和距離2m的地方觀賞為範例，在1m的觀賞距離，當兩點間距小於0.29mm，一般人眼即無法清楚分辨出兩個像素，而在2m的地方，點間距則要分開至0.58mm以下才會達到一樣的效果。

影像延遲時間與螢幕刷新率 
大多數小尺寸的 LCD 螢幕所使用的60Hz 刷新率大約會引入約15 ms的額外延遲。如將刷新率提升至 120Hz 甚至 240Hz以上，顯示器的延遲時間將降至 7ms 以下，因此能大副提升參與者的沉浸感，但在提高刷新率的同時，圖形處理器（graphics processing unit, GPU）也要有能力可以處理高幀數 (frames per second, fps)的畫面。

螢幕與人眼視野的對應關係 
除了夠細緻的畫面外，另一個需要考慮的要素是人眼的「視野」，人類單眼可以接收的視野在水平視角部分約是120度，上下垂直則約為135度。如果同時考量到左眼和右眼的視野交集的部分，會有120度左右的範圍是立體視覺（Stereopsis），因此整體來說，在雙眼同時運作的情況下，人眼看出去的視野約有200度 x 135 度的範圍，但由於大部分是周邊視野（Peripheral vision），而周邊視野的落差會因人而異，採用平均值160度的水平視野會是比較保守的估算。因此在人眼不移動同時不轉動的情況下，一般參與者的視野範圍至少會有160度x 135 度的立體空間，而此視野剛好為360度全方位視野的1/6。

因此如果將螢幕的可視面積與1/6的全方位視野之間的比值來將抽象的沉浸感具體數值化，如底下視覺沉浸係數公式(Immersive Index)。

理論上，

  觀賞者到顯示器(display)的距離

實際上，

  觀賞者到顯示器(display)的距離

應用場景

影视影业 
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。近年來LED顯示屏的點間距、亮度、不受限於尺寸與形狀的限制等優勢，開始被全球廠商陸續採用，建置成XR (Extended Reality) 虛擬攝影棚或LED顯示屏虛擬攝影棚，進行無論電視、電影、商業廣告等拍攝，使導演、演員、燈光師、攝影師等幕前幕後工作人員能快速融入拍攝場景，提升現場的視覺沉浸感，並大幅降低後製的時間與成本。

网络直播
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：

 身临其境，借助 VR 头显，观众可以身临其境的在现场观看比赛，增加观众观看节目的趣味性；
 自由选择位置和角度，时刻关注自己感兴趣的场景；
 互动性强，VR 直播的‚现场‛氛围要远远高于普通显示屏观看，在这种现场气氛的烘托下，观众的情绪极易被充分调动，增加观看愉悦感。

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。

线下主题馆 
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。

数字展馆 
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。

文物保护 
将虚拟现实技术应用于文物保护工作，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。

心理学研究 
虚拟现实技术在精神障碍的诊断和治疗中扮演着越来越重要的角色。虽然虚拟现实技术自上世纪60年代以来就已存在，但其临床适用性直到上世纪90年代才开始被研究。最初的研究主要集中在焦虑症和创伤后应激障碍，然而，自2013年首批价格合理且高质量的虚拟现实设备面市以来，虚拟现实技术领域出现了一波研究热潮。相较于传统实验环境，其特点在于可以创造具有高度可控性和互动性的沉浸式虚拟环境。因此，一方面，与传统的实验设置相比，可以呈现尽可能贴近日常生活情境，从而提高了研究方法的生态效度。另一方面，可以创建在现实世界中无法实现的情境（例如，作为暴露疗法的一部分，在两座高楼之间平衡走钢丝）。在下一步中，可以利用技术的可扩展性，将基于虚拟现实的治疗方案以数字健康应用的形式分发给大量人群。

科研教学 
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。

课堂教学 
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。

运维巡检 
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。

安全消防 
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。

自动驾驶 
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。

产品设计 
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。

商业营销 
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。

健康疑慮

过度使用可能对身体健康造成伤害。
目前最廣為人所知的是一種稱之為「VR暈」的症狀，意思就是連續使用 VR 產品超過一段時間（或為大約20分鐘），即會產生類似暈車般頭暈目眩的效果。這種症狀是由於視覺所看到的影像與身體內部感知到的狀況不一致所造成。例如一個人的身體內部感知覺得往前跨了一步，但視覺上的影像並沒有如預期般後退，視覺影像與人體預期感覺發生衝突，像這樣不一致的狀況維持超過一段時間就會產生頭暈的症狀，避免长时间佩戴VR设备。

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參考來源

外部链接
介绍VRML虚拟现实建模语言和X3D可扩展三维国际标准 
ExitReality基与浏览器的3D互动虚拟世界 
中国虚拟现实
虛擬實境逛街分享網：VR應用範例之一 
更加亲民？Valve打算让HTC Vive适配低配PC-99VR视界
真格基金王强谈VR：人类再度超越柏拉图式洞穴困境的契机会是虚拟的未来世界吗？ 
 汽车行业的虚拟现实

参见 

 擴增實境
 VRML
 X3D
 Oculus VR
 HTC Vive
 PlayStation VR
 Google Cardboard
 Gear VR
 清明夢
 虛擬導具
 混合實境
 延展實境
 元宇宙
 超真实

 
各類現實