探讨虚拟现实技术的发展趋势

1）虚拟现实技术的定义

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）在国内又被称为“灵境”，在国外与虚拟现实同类的术语，还有虚拟环境、人工现实及电脑空间等。VR 的提出归功于美国学者Ivan SutherLand 于1965 年发表的一篇题为The Ultimate Display 的论文，其标志着虚拟现实技术研究的开端。1968 年，计算机图形学之父美国VPL 公司创始人J.Lanier 正式提出“Virtual Reality”一词，将虚拟现实技术定义为：虚拟现实技术是由交互式计算机仿真组成的一种媒体，能够感知参与者的位置和动作，替代或者增强一种或者多种感觉反馈，从而产生一种精神沉浸于或者出现在仿真环境（虚拟世界）中的感觉。1993 年，美国学者Michael Heim 从《韦氏词典》对“Virtual”和“Reality”的解释出发，提出“虚拟现实是实际上而不是事实上为真实的事件或实体”。

虚拟现实技术实际上是一种利用计算机创建并体验虚拟环境的仿真系统，它通过融合多源信息的、实时的三维动态视景，以自然的方式与基于实体行为的系统相交互，从而使用户得到视觉、听觉、触觉一体化的沉浸式体验。

2）虚拟现实技术的主要特征

1994 年，Burdea G.和Coiffet 在James.D.Foley 教授所提出的3 个关键元素（2I+B）的基础上进行了进一步完善，提出VR 具有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination）3 个基本特征，即“3I 理论”。

（1）沉浸性

沉浸性也称临场感，作为虚拟现实技术的最主要特征，它是指用户从心理和生理上感受到置身于计算机所创建的三维虚拟环境的真实程度。沉浸性来源于对虚拟环境的多感知性，包括视觉感知、触觉感知、味觉感知、嗅觉感知和运动感知等，以实现在用户对虚拟空间中刺激的感知，达到思想共鸣、心理沉浸，产生如同进入现实世界的效果。

（2）交互性

交互性是一种近乎自然的交互，是用户对虚拟世界中对象的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度（包括实时性）。用户在虚拟空间中，借助各种专用设备（如头盔显示器、数据手套等）以自然的方式在虚拟环境中自主交流或操作对象时，周围环境会产生如同真实世界的反应。

（3）构想性

构想性又称想象性，是用户进入虚拟空间，实现与周围对象的交互，进而扩宽事物的认知范围，以创造出真实世界不存在的或不可能发生场景的能力程度。构想性也可以理解为用户对虚拟环境中多源信息和自身行为的认知，通过联想、推理和逻辑判断等思维过程，对复杂系统中的运动机理和规律进行深层次认识。

3）虚拟现实技术的应用

随着柔性显示、人工智能、物联网、5G 高速传输、移动式高性能图形计算机等技术的出现，使虚拟现实技术得到了迅速发展，并为虚拟现实技术进军商业领域奠定了坚实基础。目前，基于虚拟现实技术的应用和设备已经开始出现在教育、医疗、军事等诸多领域。

（1）虚拟现实技术在教育领域的应用

根据中国智能终端市场预测（IDC）发布《2021 年中国智能终端市场十大预测》，在教育市场，到2021 年将有8%的智能设备产品与教育相关，超过50%的设备将与多模式交互技术集成，虚拟现实技术的教育应用已经变得势不可挡。由此可见，5G 时代的到来，不仅便利了人们的生活，也为教育事业迎来了一场“教改风暴”。由于其拥有优异的交互性和沉浸感，美国K12 学校联合Google 公司推出了虚拟现实教育计划“Expeditions”，在费城的中学课堂上，教师可以带领学生浏览澳大利亚的大堡礁或西班牙的城堡。

（2）虚拟现实技术在医疗领域的应用

VR 技术在医疗领域已成功运用于医疗培训、临床诊疗和心理干预三大方面。2017 年9月，伦敦皇家医院使用VR 技术完成了世界上第一例360 VR 脑动脉瘤治疗，并取得了成功。除了医学诊疗，VR 在治疗心理疾病上也取得了显著成果。在一项军方对受到简易爆炸装置爆炸伤、烧伤的士兵进行的研究中发现，VR 的治疗效果甚至比吗啡更好。根据患者报告，使用VR 后减少了60%～75%的痛苦，相比之下，吗啡平均减少约30%的痛苦。

（3）虚拟现实技术在军事领域的应用

VR 技术在军事领域的应用极大地改变了传统训练中实弹和设备的消耗，以及可能的人员伤亡，因此受到世界各国的高度重视。目前，该技术已被广泛应用于虚拟军事训练、设备模拟操作、飞机设备模拟维修等方面。一套名为“可拆式士兵训练系统”（Dismounted Soldier Training System）融合了虚拟现实技术，并通过相应的硬件设置，模拟出真实环境下的各类战场情况，从而实现了室内环境下士兵的实战培训。

4）虚拟现实技术在建筑领域的应用(www.xing528.com)

在建筑领域中使用VR 技术可以极大地提升建造效率，减轻工人的劳动强度，降低项目返工和建造成本并且提高项目质量。首先，VR 技术能将建造过程中抽象的三维立体空间具象化地呈现在现实世界中，并以“人本视角”在虚拟建筑空间中体验与交互。其次，VR技术改变了参与方之间传统的二维沟通渠道，建筑师可以使用全新的多维可交互的方式向业主进行设计思路的阐述。最后，通过模拟真实的工作场景，将系统的安全隐患知识体系与施工场景相结合，让工人在进场前就已具备操作经验，可以极大减小用工风险。作为国内最早一批布局VR+建筑设计的公司，光辉城市以VR / AR 等前沿技术为切入口，致力于借助先进科技生产力解决传统建筑行业痛点。从早前的VR 样板间，解决房地产企业宣传和用户看房的实际需求；到VR 内容生成平台Smart+，帮助建筑设计师将SU、3DMAX 等模型一键生成VR，任意漫游；再到革命性的VR 建筑设计工具Mars，开启VR+建筑设计的新篇章。

（1）基于虚拟现实技术的建筑规划设计

设计人员利用VR技术可以可视、动态、全方位地展示建筑物所处的地理环境、建筑外貌、建筑内部构造和各种附属设施，使人们能够在一个虚拟环境中，甚至在未来建筑物中漫游。目前，VR 技术已成为建筑方案设计、装修效果展示、方案投标、方案论证及方案评审的有力工具（图2.4）。ArXSolutions 公司已采用这一技术，与360°摄像头等设备相结合，完成了公寓楼的预建虚拟设计。2017 年，美国建筑公司Laython Construction 为亚拉巴马州佛罗伦萨市设计医疗中心时，采用VR 技术在设计和施工的关键阶段创建虚拟模型，最终节省约25 万美元的施工费，同时节省了预算和设计变更的时间，加快了项目审批和施工进度。

图2.4　VR在设计阶段的应用

（图片来源：卫武资讯）

（2）基于虚拟现实技术的建筑施工管理

日本三谷与SE4 公司联合开发了一套基于VR 的远程操控机器人，旨在结合现场施工、BIM 等领域开发机器人远程操控技术，同时结合机器人技术、计算机视觉以及VR 等相关技术来进行机器人的远程操控。以安装空调为例，其需要进行事先打孔，这就需要进行实地测量。而结合机器人技术后，该系统通过BIM 数据在虚拟建筑物标记打孔位置，就可以命令机器人进行打孔操作。而这套技术的优势在于并非全由机器人控制，可以通过人为操控，基于VR 进行实时操控，使用方式更为灵活、系统。该方案可应用于建筑工地等场景。

（3）基于虚拟现实技术的建筑运维管理

在设施管理中，运维人员借助虚拟现实技术，根据建筑内部各系统中实际设施设备、管线和链路关系，搭建三维可视化的有向图数据模型，以对吊顶、地下部分等隐蔽工程和可见部位的状态进行实时检测，并进行快速维护管理（图2.6）。目前，使用HTC Vive 设备可快速查看设备的资产信息和状态，已被广泛应用于设备的装饰装修中以及房屋销售等领域。Yi-Kai Juan 等人提出使用Lumion 6 和Enscape 进行VR 场景渲染，并与Enscape 协作实现基于导航的行走，可以提高展示的效率，减少空间的认知差异，最大限度地激发客户的购买欲望。目前，建筑市场上涌现出大批的“VR 虚拟看房”。例如，指挥家VR 推出5款核心产品，涵盖线下沉浸式体验、线上便捷看房与跨地区市场拓展；贝壳找房推出“VR看房、VR 讲房、VR 带看”三款核心产品，以优质的技术连接消费者和房源供给方，实现看房环节的线上化；无忧VR 则推出“金融+房地产+VR”产品，实现购房前置，提前蓄客；昆明的融创文旅城已实现从单体房屋到区域全景的在线虚拟看房模式。

图2.5　远程操控机器人

（图片来源：日本三谷公司）

图2.6　VR设备运维

（图片来源：达软）

图2.7　VR虚拟看房

（图片来源：融创）