江欣乐     江西省景德镇二中

摘要：虚拟现实技术做为一项新兴的技术，正在被广泛应用于日新月异的创新市场中。而人们在体验它的神奇功能时，也感受到它的不足与缺陷。如何使广大的消费者接受这一技术所形成的产品，是每一个产品开发者和技术创新者所思考的。本文就虚拟现实技术它的历史发展，技术原理，和应用推广三个方面来简述，以此从整体分析其的发展分析和不足。最后就分析得出虚拟现实技术在产品开发者和消费者二个方面所具有的成本高，反应迟缓，引发眩晕等问题，并提出了如改进算法，使用双摄像头等建议。

关键词 虚拟现实，新兴技术，市场

一、虚拟现实技术

（一）虚拟现实技术简述

虚拟现实技术（Virtual Reality Technique,简称VR）是20世纪末兴起的综合性信息技术，它融合了人机交互技术、数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术门类，发展成为计算机领域的新技术，极大推进了计算机技术的发展。目前，VR作为一门新兴的技术，其应用已从游戏机和主题游乐园扩展到了工业、商业、教育、影视、医学和军事多个领域。虚拟现实技术的主要特征是：多感知性、浸没感、交互性与构想性。使用者能够真正进入一个由计算模型生成的虚拟环境中，并与之产生互动及交流，使用者通过视觉、听觉、触觉等多感官的交互，产生身临其境的感觉。

（二）虚拟现实发展的历史

虚拟现实技术虽然作为一项新兴技术，但其也有着丰富的发展历史。它的发展历史可以简述为四个阶段。

第一阶段，虚拟现实技术的前身。1962年，美国人莫顿·海利希发明了第一台VR设备--“全传感仿真器”，使得人们能在虚拟摩托车上体验骑行，真实地感受声响、风吹与震动，该技术结合了35毫米相机拍摄的照片与3D摄影技术，使用者可坐在椅子上把头探进去，通过三面屏来形成空间感，从而获取虚拟现实的体验，基于仿真视觉，构成用户的多感官体验。

第二阶段，1968年，被誉为计算机图形学之父的计算机科学家伊万·萨瑟兰创造了第一个头戴式设备“虚拟现实头盔”——将两个CRT虚拟现实显示器与增强现实耳机构成的立体视觉系统。这款虚拟现实设备能够显示一个简单的几何图形网格并覆盖在佩戴者周围的环境上。

第三阶段，虚拟现实技术概念和理论产生的初步阶段。虚拟现实技术概念和理论产生的初步阶段。由克鲁格设计的 VIDEOPLACE系统，可以产生一个虚拟图形图像环境，使根据参与者所作出的动作图像实时地做出响应参与者的活动。由麦格里维领导完成的VIEW系统，装备了多传感器的数据手套及头部跟踪仪，综合语言、手势、肢体语言等交互方式，形成虚拟现实系统。第四阶段，虚拟现实的快速发展。自2014年起，虚拟现实技术随着产品的多元化，被广泛用于科研、航空、医学、军事等人类生活的各个领域中。

二、虚拟现实建模技术

虚拟现实技术利用计算机生成逼真的、感知真实的三维视觉、听觉、触觉等感觉形式的虚拟世界,。其建模方式兼具逼真性与交互性，不仅要求建模方法能够对周边环境物体进行真实描绘，还要求能够针对VR使用者的行为作出相应反应。本文主要关注VR建模核心技术中的几何建模、物理建模及行为建模三个模块。

（一）虚拟现实几何建模技术

虚拟现实几何建模技术本质上是基于计算机图形学的三维模型建模。任何物体均可用基本几何形状或其组合来描述，建立起三维几何模型，并将三维的几何描述转换为特定视点下的二维视图进行显示，其主要方法包括层次建模法和属主建模法。

层次建模法将复杂物体分解为各类基本几何结构的组合，并对基本几何结构进行建模，再通过数学模型将其有机组合,。属主建模法就是让同一种对象拥有同一个属主，属主包含了该类对象的详细结构。同样的属主具有相同的结构，但在虚拟现实的不同场景下会有不同的表现，如对汽车进行建模时，四个轮子结构相似，可建立相同的属主模型，但在虚拟现实场景下，每个轮子的表现会有所差异，可基于原始的属主模型进行调整，这种建模方式可以很好地抽象物体，简化模型难度，并在一定程度上降低成本。

（二）虚拟现实物理建模技术

将建模对象的物理属性充分考虑在内是虚拟现实物理建模技术的核心，其代表技术是分形技术和粒子系统。

分形技术关注抽象后物体的自相似形，如自然场景中的雪花、树木等，虽其存在很大的随机性及不规则性，但抽象化后存在自相似的特性。一般采用随机的分形建模方法"如傅里叶于1993年采用分形布朗运动构造了复杂的地形;马歇尔等人运用随机模型组和基本数据元素构造了树林、灌木、山脉等;萨卡等人采用时变分形构造了气体的随机湍流,米勒等人采用了递归分形生成了复杂地形和天空等。

虚拟现实环境中还存在火焰、烟雾、水流、灰尘、泥浆等景物，由于其存在表面不规则性、运动不确定性，通过几何建模较难逼真刻画，一般采用粒子系统进行描述。使用简单元素完成复杂运动的建模，系统内有大量粒子构成，每个粒子都具有物理属性，如位置、颜色、质量、速度，这些属性可通过基于前序观察所构建的模型获得，在交互过程中，这些粒子可根据动力学计算和随机过程推演其变化。

（三）虚拟现实行为建模技术

几何建模与物理建模技术更多运用于虚拟环境背景建模，行为建模技术更多应用于人与环境的交互，该技术大多需与外部VR设备对接，如虚拟现实头盔、数据手套等。行为建模技术是虚拟现实技术中最核心最有难度的技术，主要结合人的行为数据及环境模型的相关参数进行互动建立模型，交互模型除涉及物体物理特性外，现代行为建模技术还更多结合自然语言处理自动对话技术、计算机视觉图像识别技术、视频追踪技术等人工智能技术。

三、虚拟现实技术的应用

（一）虚拟现实技术在教育上的应用

虚拟现实技术可以打破地域壁垒，接触到在传统课堂中难以接触的事物。芝加哥圣泽维尔学校的850学生通过虚拟现实技术学习了关于太阳系的知识，学生搭上了太空飞船并且探索了太阳系每一个星球，中国海洋大学国家级海洋学虚拟仿真实验教学中心中该校学生的水温调查仿真实验课都在这里进行，不仅让学生很好地体验到真实环境，也很大程度地节约了教学成本。

（二）虚拟现实技术在医学上的应用

2016年，英国一流癌症外科医生的肿瘤外科医生艾哈迈德博士在皇家伦敦医院对一位结肠癌病人身上进行手术，在手术期间，一些学生将会使用虚拟现实头戴设备在皇家伦敦医院的研讨教室里和伦敦英国女皇玛丽大学里观看手术过程，目的是为了改进医学院学生训练。美国增强现实及虚拟现实公司Next Galaxy与迈阿密儿童医院合作，开发一款针对医学指导的虚拟现实软件，帮助医疗工作者更好地掌握心肺复苏技术，鼻导管插入技术，插管法、伤口处理、海姆立克急救法。英国军方与VR研究小组合作，用VR技术打造了一个模拟战场的虚拟现实场景，由鲍勃教授带领的伯明翰大学人机交互技术团队研发了一套模拟设备。他们用虚拟现实技术让军医在战时状态下的运输机机舱中救人。医生戴上虚拟现实头盔，可以看到持枪坐着战士的运输机机舱，让医护人员在虚拟战时环境下对伤员进行应急治疗。

除此之外，虚拟现实技术还成功应用于虚拟人体、虚拟外科手术、虚拟环境下自闭症等场景中。

（三）虚拟现实技术在游戏上的应用

虚拟现实在娱乐游戏中的应用，主要表现在其沉浸性与交互性。虚拟现实射击类游戏《毁灭战士4》以其独特的虚拟音效收到热捧；《悍马部队》仿真模拟车载运动，通过VR建模模拟战斗；《太空大众》使得玩家进入太空大战的环境中，进行相应操作；《滑雪》结合VR硬件滑雪器与游戏中物理建模系统，结合VR头盔，沉浸式地模拟真实的竞速比赛体验。

除娱乐游戏外，虚拟现实游戏还很好地与教育进行结合，如大型多人在线游戏Second Life ，其采用VR桌面构建是高度可视化的教学平台，有力地支持了以视觉学习为主的课程，如地理、地质、航空、人类学和考古学等。Second Life中的虚拟现实体验增强了学习的可能性和活动的整体意义，尤其是对虚拟化身灵活而富有创造性的使用能够为人们提供角色扮演、辩论和自我探索的机会。

随着人工智能技术与虚拟现实技术的不断发展，更多VR游戏也向着良好交互性、场景逼真性、设备简约性的方向发展。

四、虚拟现实的发展趋势及建议

2016年被称作是VR元年，作为一项新兴的科技技术，正受到许多的投资者的青睐。不论VR是应用于军事，教育还是作为一项市场产品，它的成本和技术的精确和稳定都是每一个开发者所追求的。

就VR的成本而言，VR眼镜的价格不算太贵，但其技术的性能和内容方面还有待完善。消费者不会乐衷于内容单一，反应处理时间缓慢的产品。就性能而言，如何加快处理速度，增加处理数据的种类和数量，是我们要面对的主要问题。笔者认为，改变运行的算法是一个很好的处理时间缓慢问题的方法。如谷歌等公司正在研究的神经网络算法，神经网络具有初步的自适应与自组织能力，从而使得VR产品能随着VR使用者的角度的改变而改变，我们要充分利用现今社会对人工智能的大量投资的时机。

其次，对于VR内容的匮乏，一大方面的原因在于VR建模的不真实性和困难性。而就华为公司将要使用的双摄像头三维成像技术，则可大规模的虚拟现实技术成像的时间和真实性。

而相对于用户的方面来说，鉴于VR尚为正在发展的新技术，也存在一些潜在的问题。如佩戴VR头盔或观看VR显示屏幕时会使人产生眩晕与恶心感。这源于都虚拟显示系统与人体自身交互系统的不友好性。因为VR主要作用于人的视觉，而视觉是人维持身体平衡的重要途径。如果VR中所展示的画面与人在真实的环境下感受的不符，打破了视觉系统的平衡，大脑的感知会形成错误，眩晕和恶心正是这一现象的初期预警信号。而这正是产品开发者所应解决的。

虽然虚拟现实技术现阶段还存在许多不足，但相信它的发展方向美好的，必将受到越来越多消费者的欢迎。

参考文献

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