虚拟环境

**虛擬實境**（英語：virtual reality，縮寫 **VR**），簡稱虛擬環境，是利用電腦類比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類比，讓使用者感覺彷彿身歷其境，可以即時、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。該技術整合了電腦圖形、電腦仿真、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類比系統。

## 概念來源

術語「人造現實」，由邁倫・克魯格創造，並從 20 世紀 70 年代使用至今。然而，術語「虛擬實境」的起源可以追溯到法國劇作家，詩人，演員，和導演安托南・阿爾托。在他知名著作《戲劇及其重影（The Theatre and Its Double）》中（1938），阿爾托將劇院描述為「虛擬實境（la réalité virtuelle）」；美國作家埃里克・戴維斯將虛擬實境稱為「角色、物體、圖像在鍊金術師的顱內幻想中律動」。阿爾托稱「在幾乎所有鍊金術書籍中發現的對物質及戲院原理的永恆隱喻都應理解為身分的一種表述・・・而這種表述存在於角色、圖像大體構成了戲院致力打造的_虛擬實境_和鍊金術符號進化的純虛構和虛幻的世界。」

這個詞也被用在達米恩・布羅德里克（Damien Broderick）於 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。由牛津詞典列舉的最早使用是在 1987 年的一篇題為「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」是由杰倫・拉尼爾和他的公司 VPL Research 創造並推廣的。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視裝置（Head Mount Display，HMD）EyePhone 和觸覺輸出裝置資料手套虛擬實境的概念是由電影比如《頭腦風暴（Brainstorm）》、《割草者》才逐漸向大眾普及的。20 世紀 90 年代的 VR 研究熱潮是伴隨著霍華德・萊恩格爾德的非小說類書籍《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・溫鮑姆（Stanley G. Weinbaum）的科幻小說《皮格馬利翁的眼鏡（Pygmalion's Spectacles）》，被認為探討虛擬實境的第一部科幻作品，簡短的故事中詳細地描述了包括嗅覺、觸覺和全像護目鏡為基礎的虛擬實境系統。

### 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，吸引觀眾注意螢幕上的活動。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・恩格爾巴特使用電腦螢幕當作輸入和輸出裝置。

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。該裝置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 年建立，背景是科羅拉多州阿斯彭，使用者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 研究幾種虛擬現實裝置，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 虛擬實境耳機街機遊戲和 Mega Drive。它使用液晶顯示螢幕，立體聲耳機和慣性傳感器，讓系統可以追蹤並反應使用者頭部運動。

同年，遊戲 Virtuality 推出，並成為第一大多人虛擬實境網路娛樂系統。它在許多國家發行，包括舊金山內河碼頭中心一個專門虛擬實境商場。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，儘管訊號嚴重延誤。該系統被稱為「電腦類比遙控操作」，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建立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，它能夠跟蹤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，它支援遊戲包含天旋地轉、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），最初的重點是硬體，使電腦使用者完全沉浸在 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，Google 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 Google 應用程式 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，指揮家 VRconductorVR 發布全球首個大空間多人互動 VR 行業應用。

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。

 

## 技術與裝置

一般的虛擬實境裝置至少包含一個螢幕、一組感測器及一組計算元件，這些東西被組裝在這個裝置中．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．

額外的裝置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、手機等裝置所使用的螢幕多為 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、Google、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解析度、影像延遲時間、螢幕重新整理頻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。例如當顯示器的解析度以及重新整理頻率過低時，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互動行為，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裝置皆以視覺刺激來觸發參與者的沉浸感為主。

### 顯示器解析度

最小解析度角 (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，解析度約為 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重新整理頻率

大多數小尺寸的 LCD 螢幕所使用的 60Hz 重新整理頻率大約會引入約 15 ms 的額外延遲。如將重新整理頻率提升至 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，但在提高重新整理頻率的同時，圖形處理器（graphics processing unit, GPU）也要有能力可以處理高影格數 (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，

$$
{\frac {\mbox{顯 示 器 面 積}}{{\frac {1}{6}}\times 4\pi {\mathsf {R}}^{2}}}={\mbox{視 覺 沉 浸 係 數 }}
$$

 ${\mathsf {R}}$ $=$ 觀賞者到顯示器 (display) 的距離

 

 

實際上，

$$
{\frac {\mbox{顯 示 器 面 積}}{{\frac {1}{6}}\times {\bigl (}2\pi {\mathsf {R}}{\bigr )}^{2}}}={\mbox{視 覺 沉 浸 係 數 }}
$$

 ${\mathsf {R}}$ $=$ 觀賞者到顯示器 (display) 的距離

 

 

 

 

## 應用場景

### 影視影業

當前，虛擬實境技術在影視製作中的應用，主要是通過構建出可與影視場景互動的虛幻三維空間場景，結合對觀眾的頭、眼、手等部位動作捕捉，及時調整影像呈現內容，繼而形成人景互動的獨特體驗。由於目前 VR 影業尚不成熟，在實際製作中會遇到許多困難，如導演人選、拍攝無分鏡、劇情的呈現方式等。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。

### 網路直播

傳統方式的影片直播中，觀眾往往不能全方位了解直播物件周圍環境狀況，無法切身感受現場氛圍，而 VR 直播將活動現場還原到虛擬空間中，其優勢在於：

1. 身臨其境，藉助 VR 頭顯，觀眾可以身臨其境的在現場觀看比賽，增加觀眾觀看節目的趣味性；
2. 自由選擇位置和角度，時刻關注自己感興趣的場景；
3. 互動性強，VR 直播的‚現場‛氛圍要遠遠高於普通顯示器觀看，在這種現場氣氛的烘托下，觀眾的情緒極易被充分調動，增加觀看愉悅感。

此外，VR 直播也面臨著多種挑戰，如全景相機拼接演算法尚不成熟、對網路環境要求較高、傳輸格式標準未統一帶來的彩現製作和編解碼等諸多環節問題。

### 線下主題館

VR 線下主題館將傳統電競與虛擬實境技術相結合，結合大空間光學動作捕捉系統、精確的多相機同步管理運算系統與特殊體感互動裝置等，玩家可以化身為遊戲中的虛擬角色，在特定遊戲場景中自由行動，同時藉助本地網路環境或雲平台，讓多人、多地的線上合作或對抗成為可能，極大增強了遊戲可玩性和趣味性。

### 數字展館

傳統展館多採用展品陳列、圖片展示、人員講解等方式向觀眾傳達資訊，難以實現多角度欣賞、近距離觀看功能，很難快速吸引觀眾興趣。虛擬實境技術與展館展示相結合，不僅體現了其開放、共享、多媒體呈現的特點，數位化呈現實體展的全部內容，還突破實體展的時空局限性，利用圖文、影片、三維模型等深度資料，對重點展品進行延展和補充，加強了視覺化的網路互動體驗，使得展覽內容更豐富和多樣。

### 文物保護

將虛擬實境技術應用於文物保護工作，可以建立數位化的文物保護方法，為文物的儲存、修復和展示提供了新的技術手段，讓歷史得以數位化再現，文明得以資訊化傳承。如 2017 年，兵馬俑實施了 200 億像素 360° 全景兵馬俑坑展示工程和 AI 秦始皇兵馬俑復原工程。其中 200 億像素 360° 全景兵馬俑坑展示工程採用了矩陣全景技術，收錄了兵馬俑的一號坑和三號坑的高精度全景圖資料。

### 科研教學

相比傳統的訓練方式，醫學生使用實體（如小白鼠）解剖的成本不低，且通常無法重複利用。虛擬實境技術則可以幫助醫學生在虛擬手術台上反覆練習，雖然仍無法完全取代真實練習，但已經可以作為預習和強化記憶的手段，具備在醫學領域推廣應用條件。

### 課堂教學

在教育場景，虛擬實境技術可通過自然的互動方式，將抽象的學習內容視覺化、形象化，為學生提供傳統教材無法實現的沉浸式學習體驗，提升學生取得知識主動性，實現更高的知識保留度。目前，教育已成為虛擬實境應用行業中發展最快也是最先落地的領域，隨著政策的鼓勵和市場的驅動，預計虛擬實境教育市場還將持續增長。

### 運維巡檢

工業生產製造過程中，為維護裝置安全穩定執行而展開的運維巡檢工作量非常巨大，虛擬實境技術的到來，使生產人員可以通過安全的資料視覺化頭顯對裝置運轉狀態、生產環境以及潛在隱患等關鍵資訊進行監測和排查，有利於全面、準確、即時了解整體生產製造情況，從而提高生產安全係數和生產效率。

### 安全消防

虛擬實境技術的發展填補了安全消防教育在感知互動需求方面的空白，通過構造出特定的安防培訓場景，將傳統的教學元素如圖形和資料嵌入到生動虛擬環境中，通過類比特定的危險情景，更容易激發體驗者的緊張感並提升專注度，強化事故演練效果。

### 自動駕駛

在不能無限擴大自動駕駛測試車隊規模的情況下，通過虛擬實境技術類比真實道路環境進行測試成為業界主流解決方案，如使用 NVIDIA DGX 和 Tensor RT 3 進行仿真，工程師可以加快道路測試，加快自動駕駛汽車研發量產進度。

### 產品設計

以工業網際網路或物聯網平台為基礎，虛擬實境成為實現數字孿生（Digital Twins）的核心技術之一。依託特定工具軟體可以在虛擬空間中構建出與物理世界完全對等的數字鏡像，成為將產品研發、生產製造、商業推廣三個維度的資料全部匯集的基礎，實現了資料資訊與真實物理環境間的互動，為進行階段性資料驗證、業務流程參考的提供了重要支撐。

### 商業行銷

虛擬實境 + 商業行銷是利用虛擬實境技術，使消費者獲得逼真的感官體驗，充分調動消費者的感性基因，從而影響其消費決策。虛擬實境 + 商業行銷分為線上和線下兩種方式。線上行銷是電商 2.0 版，VR/AR 電商通過三維建模技術與 VR/AR 裝置以及互動體驗，可以帶給消費者更好的消費體驗，線下行銷則是在產品的實體店或是展示活動現場利用 VR/AR 裝置給消費者帶來有趣的互動體驗，增加消費者的興趣與購買慾。例如房地產行業，通過使用虛擬實境技術，看房者線上上即可瀏覽房源的全貌，步入房間檢視細節，除了沉浸式的體驗之外，還可以得到房間長、寬、高、年限、周邊配套等全方位資料展示，便於全面掌握房屋資訊；對於開發商或中介商來說，通過分析使用者行為資料，可實現房源精準推銷的同時節省人力資源投入成本，有助於提升業務成交效率和企業運營收益。

## 健康疑慮

過度使用可能對身體健康造成傷害。
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，避免長時間佩戴 VR 裝置。

## 相關作品

**小說**

* 007：擇日而亡
* 二分之一王子
* 一級玩家
* 三體

**電影**

* 駭客任務三部曲
* 關鍵報告
* 凸搥特派員 3
* 一級玩家 (電影)
* 名偵探柯南：貝克街的亡靈
* 大雄與夢幻三劍士

**動漫**

* 刀劍神域
* 大雄與夢幻三劍士
* 加速世界
* .hack
* 烏龍派出所 - 079 - 超烏龍的新發明
* 家庭教師 - 120 - 假想空間
* 名偵探柯南：貝克街的亡靈
* 鋼彈創鬥者 潛網大戰
* Sniper of Aogelasi 奧格拉斯之槍
* 昴宿七星
* 〈Infinite Dendrogram〉- 無盡連鎖 -

## 參考來源

## 外部連結

* 介紹 VRML 虛擬實境建模語言和 X3D 可延伸三維國際標準 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* ExitReality 基與瀏覽器的 3D 互動虛擬世界 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 中國虛擬實境
* 虛擬實境逛街分享網：VR 應用範例之一 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 更加親民？Valve 打算讓 HTC Vive 適配低配 PC-99VR 視界
* 真格基金王強談 VR：人類再度超越柏拉圖式洞穴困境的契機會是虛擬的未來世界嗎？ （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 汽車行業的虛擬實境 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

## 參見

* 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