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簡介
所謂虛擬現(xiàn)實(shí)，顧名思義，就是虛擬和現(xiàn)實(shí)相互結(jié)合。從理論上來講，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，使用戶沉浸到該環(huán)境中。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是利用現(xiàn)實(shí)生活中的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生的電子信號，將其與各種輸出設(shè)備結(jié)合使其轉(zhuǎn)化為能夠讓人們感受到的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可以是現(xiàn)實(shí)中真真切切的物體，也可以是我們?nèi)庋鬯床坏降奈镔|(zhì)，通過三維模型表現(xiàn)出來。因?yàn)檫@些現(xiàn)象不是我們直接所能看到的，而是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬出來的現(xiàn)實(shí)中的世界，故稱為虛擬現(xiàn)實(shí)。 [2]
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)受到了越來越多人的認(rèn)可，用戶可以在虛擬現(xiàn)實(shí)世界體驗(yàn)到最真實(shí)的感受，其模擬環(huán)境的真實(shí)性與現(xiàn)實(shí)世界難辨真假，讓人有種身臨其境的感覺；同時，虛擬現(xiàn)實(shí)具有一切人類所擁有的感知功能，比如聽覺、視覺、觸覺、味覺、嗅覺等感知系統(tǒng)；最后，它具有很強(qiáng)的仿真系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，使人在操作過程中，可以隨意操作并且得到環(huán)境最真實(shí)的反饋。正是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了許多人的喜愛。 [2]
5G時代的到來，注定將成就虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。未來的生活趨勢將會更多的在虛擬與現(xiàn)實(shí)之間切換。 [10]
發(fā)展歷史
1、第一階段（1963年以前）有聲形動態(tài)的模擬是蘊(yùn)涵虛擬現(xiàn)實(shí)思想的階段
1929年，Edward Link設(shè)計(jì)出用于訓(xùn)練飛行員的模擬器；1956年，Morton Heilig開發(fā)出多通道仿真體驗(yàn)系統(tǒng)Sensorama。 [3]
2、第二階段（1963—1972）虛擬現(xiàn)實(shí)萌芽階段
1965年，Ivan Sutherland發(fā)表論文“UltimateDisplay”；1968年，Ivan Sutherland研制成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器（HMD）；1972年，NolanBushell開發(fā)出第一個交互式電子游戲Pong。 [3]
3、第三階段（1973—1989）虛擬現(xiàn)實(shí)概念的產(chǎn)生和理論初步形成階段
1977年，Dan Sandin等研制出數(shù)據(jù)手套SayreGlove；1984年，NASA AMES研究中心開發(fā)出用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器；1984年，VPL公司的JaronLanier提出“虛擬現(xiàn)實(shí)”的概念；1987年，JimHumphries設(shè)計(jì)了雙目全方*監(jiān)視器（BOOM）的最早原型。 [3]
4、第四階段（1990年至今）虛擬現(xiàn)實(shí)理論進(jìn)一步的*和應(yīng)用階段
1990年，提出VR技術(shù)包括三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)和高分辨率顯示技術(shù)；VPL公司開發(fā)出第一套傳感手套“DataGloves”，第一套HMD“EyePhoncs”；
1993年11月，宇航員通過VR系統(tǒng)的訓(xùn)練，成功的完成了從航天飛機(jī)的運(yùn)輸艙內(nèi)取出新的望遠(yuǎn)鏡面板的工作，而用VR技術(shù)設(shè)計(jì)的波音777飛機(jī)是虛擬制造的典型應(yīng)用實(shí)例；2022年加拿大造船公司Seaspan將3D沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（VR）引入船舶設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)師可在VR中實(shí)時瀏覽他們的設(shè)計(jì)。
21世紀(jì)以來，VR技術(shù)高速發(fā)展，軟件開發(fā)系統(tǒng)不斷*，有代表性的如MultiGen Vega、Open Scene Graph、Virtools等。 [3]
2022年12月2日，虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)入選“智瞻2023”論壇發(fā)布的十項(xiàng)焦點(diǎn)科技名單。 [11]
分類
VR涉及學(xué)科眾多，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，系統(tǒng)種類繁雜，這是由其研究對象、研究目標(biāo)和應(yīng)用需求決定的。從不同角度出發(fā)，可對VR系統(tǒng)做出不同分類。 [4]
1、根據(jù)沉浸式體驗(yàn)角度分類
沉浸式體驗(yàn)分為非交互式體驗(yàn)、人——虛擬環(huán)境交互式體驗(yàn)和群體——虛擬環(huán)境交互式體驗(yàn)等幾類。該角度強(qiáng)調(diào)用戶與設(shè)備的交互體驗(yàn)，相比之下，非交互式體驗(yàn)中的用戶更為被動，所體驗(yàn)內(nèi)容均為提前規(guī)劃好的，即便允許用戶在一定程度上引導(dǎo)場景數(shù)據(jù)的調(diào)度，也仍沒有實(shí)質(zhì)性交互行為，如場景漫游等，用戶幾乎全程無事可做；而在人——虛擬環(huán)境交互式體驗(yàn)系統(tǒng)中，用戶則可用過諸如數(shù)據(jù)手套，數(shù)字手術(shù)刀等的設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，如駕駛戰(zhàn)斗機(jī)模擬器等，此時的用戶可感知虛擬環(huán)境的變化，進(jìn)而也就能產(chǎn)生在相應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界中可能產(chǎn)生的各種感受。 [4]
如果將該套系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、多機(jī)化，使多個用戶共享一套虛擬環(huán)境，便得到群體—虛擬環(huán)境交互式體驗(yàn)系統(tǒng)，如大型網(wǎng)絡(luò)交互游戲等，此時的VR系統(tǒng)與真實(shí)世界無甚差異。 [4]
2、根據(jù)系統(tǒng)功能角度分類
系統(tǒng)功能分為規(guī)劃設(shè)計(jì)、展示娛樂、訓(xùn)練演練等幾類。規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)可用于新設(shè)施的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可大幅縮短研發(fā)時長，降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)效率，城市排水、社區(qū)規(guī)劃等領(lǐng)域均可使用，如VR模擬給排水系統(tǒng)，可大幅減少原本需用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的經(jīng)費(fèi)；展示娛樂類系統(tǒng)適用于提供給用戶逼真的觀賞體驗(yàn)，如數(shù)字博物館，大型3D交互式游戲，影視制作等，如VR技術(shù)早在70年代便被Disney用于拍攝特 效電影；訓(xùn)練演練類系統(tǒng)則可應(yīng)用于各種危險環(huán)境及一些難以獲得操作對象或?qū)嵅俪杀靖叩念I(lǐng)域，如外科手術(shù)訓(xùn)練、空間站維修訓(xùn)練等。 [4]
特征
1、沉浸性
沉浸性是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最主要的特征，就是讓用戶成為并感受到自己是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)造環(huán)境中的一部分，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性取決于用戶的感知系統(tǒng)，當(dāng)使用者感知到虛擬世界的刺激時，包括觸覺、味覺、嗅覺、運(yùn)動感知等，便會產(chǎn)生思維共鳴，造成心理沉浸，感覺如同進(jìn)入真實(shí)世界。 [5]
2、交互性
交互性是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度，使用者進(jìn)入虛擬空間，相應(yīng)的技術(shù)讓使用者跟環(huán)境產(chǎn)生相互作用，當(dāng)使用者進(jìn)行某種操作時，周圍的環(huán)境也會做出某種反應(yīng)。如使用者接觸到虛擬空間中的物體，那么使用者手上應(yīng)該能夠感受到，若使用者對物體有所動作，物體的位置和狀態(tài)也應(yīng)改變。 [5]
3、多感知性
多感知性表示計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)該擁有很多感知方式，比如聽覺，觸覺、嗅覺等等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前大多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、觸覺、運(yùn)動等幾種。 [5]
4、構(gòu)想性
構(gòu)想性也稱想象性，使用者在虛擬空間中，可以與周圍物體進(jìn)行互動，可以拓寬認(rèn)知范圍，創(chuàng)造客觀世界不存在的場景或不可能發(fā)生的環(huán)境。構(gòu)想可以理解為使用者進(jìn)入虛擬空間，根據(jù)自己的感覺與認(rèn)知能力吸收知識，發(fā)散拓寬思維，創(chuàng)立新的概念和環(huán)境。 [5]
5、自主性
是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度。如當(dāng)受到力的推動時，物體會向力的方向移動、或翻倒、或從桌面落到地面等。 [5]
關(guān)鍵技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：
1、動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)
虛擬環(huán)境的建立是VR系統(tǒng)的核心內(nèi)容，目的就是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。 [6]
2、實(shí)時三維圖形生成技術(shù)
三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，那么關(guān)鍵就是“實(shí)時”生成。為保證實(shí)時，至少保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，最好高于30幀/秒。 [6]
3、立體顯示和傳感器技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的設(shè)備不能滿足需要，力學(xué)和觸覺傳感裝置的研究也有待進(jìn)一步深入，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高。 [6]
4、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具
虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和對象，選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對象可以大幅度提高生產(chǎn)效率，減輕勞動強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。想要達(dá)到這一目的，則需要研究虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)工具。 [6]
5、系統(tǒng)集成技術(shù)
由于VR系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識別與合成技術(shù)等。 [6]
技術(shù)應(yīng)用
1、在影視娛樂中的應(yīng)用
近年來，由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在影視業(yè)的廣泛應(yīng)用，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為主而建立的第一現(xiàn)場9DVR體驗(yàn)館得以實(shí)現(xiàn)。第一現(xiàn)場9DVR體驗(yàn)館自建成以來，在影視娛樂市場中的影響力非常大，此體驗(yàn)館可以讓觀影者體會到置身于真實(shí)場景之中的感覺，讓體驗(yàn)者沉浸在影片所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境之中。同時，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，此技術(shù)在游戲領(lǐng)域也得到了快速發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用電腦產(chǎn)生的三維虛擬空間，而三維游戲剛好是建立在此技術(shù)之上的，三維游戲幾乎包含了虛擬現(xiàn)實(shí)的全部技術(shù)，使得游戲在保持實(shí)時性和交互性的同時，也大幅提升了游戲的真實(shí)感。 [2] 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和可穿戴設(shè)備的研發(fā)降低了體育項(xiàng)目的參與門檻，諸如國際象棋等運(yùn)動，選手們可接入服務(wù)器“穿越”到世界各地賽場，與各國高手同臺競技。 [12]
2、在教育中的應(yīng)用
如今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為促進(jìn)教育發(fā)展的一種新型教育手段。傳統(tǒng)的教育只是一味的給學(xué)生灌輸知識，而現(xiàn)在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以幫助學(xué)生打造生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生通過真實(shí)感受來增強(qiáng)記憶，相比于被動性灌輸，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來進(jìn)行自主學(xué)習(xí)更容易讓學(xué)生接受，這種方式更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，各大院校利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還建立了與學(xué)科相關(guān)的虛擬實(shí)驗(yàn)室來幫助學(xué)生更好的學(xué)習(xí)。 [2]
3、在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域小有成就，例如室內(nèi)設(shè)計(jì)，人們可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)把室內(nèi)結(jié)構(gòu)、房屋外形通過虛擬技術(shù)表現(xiàn)出來，使之變成可以看的見的物體和環(huán)境。同時，在設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)師可以將自己的想法通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬出來，可以在虛擬環(huán)境中預(yù)先看到室內(nèi)的實(shí)際效果，這樣既節(jié)省了時間，又降低了成本。 [2]
4、虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用
醫(yī)學(xué)專家們利用計(jì)算機(jī)，在虛擬空間中模擬出人體組織和器官，讓學(xué)生在其中進(jìn)行模擬操作，并且能讓學(xué)生感受到手術(shù)刀切入人體肌肉組織、觸碰到骨頭的感覺，使學(xué)生能夠更快的掌握手術(shù)要領(lǐng)。而且，主刀醫(yī)生們在手術(shù)前，也可以建立一個病人身體的虛擬模型，在虛擬空間中*行一次手術(shù)預(yù)演，這樣能夠大大提高手術(shù)的成功率，讓更多的病人得以恢復(fù)。 [7]
5、虛擬現(xiàn)實(shí)在軍事方面的應(yīng)用
由于虛擬現(xiàn)實(shí)的立體感和真實(shí)感，在軍事方面，人們將地圖上的山川地貌、海洋湖泊等數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行編寫，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能將原本平面的地圖變成一幅三維立體的地形圖，再通過全息技術(shù)將其投影出來，這更有助于進(jìn)行軍事演習(xí)等訓(xùn)練，提高我國的綜合國力。 [7]
除此之外，現(xiàn)在的戰(zhàn)爭是信息化戰(zhàn)爭，戰(zhàn)爭機(jī)器都朝著自動化方向發(fā)展，無人機(jī)便是信息化戰(zhàn)爭的最典型產(chǎn)物。無人機(jī)由于它的自動化以及便利性深受各國喜愛，在戰(zhàn)士訓(xùn)練期間，可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)去模擬無人機(jī)的飛行、射擊等工作模式。戰(zhàn)爭期間，軍人也可以通過眼鏡、頭盔等機(jī)器操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行巡查等任務(wù)，減小戰(zhàn)爭中軍人的傷亡率。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能將無人機(jī)拍攝到的場景立體化，降低操作難度，提高偵 查效率，所以無人機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展刻不容緩。 [7]
6、虛擬現(xiàn)實(shí)在航空航天方面的應(yīng)用
由于航空航天是一項(xiàng)耗資巨大，非常繁瑣的工程，所以，人們利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)的統(tǒng)計(jì)模擬，在虛擬空間中重現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)中的航天飛機(jī)與飛行環(huán)境，使飛行員在虛擬空間中進(jìn)行飛行訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)操作，極大地降低了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)的危險系數(shù)。 [7]
7、虛擬現(xiàn)實(shí)在工業(yè)方面應(yīng)用
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已大量應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，對汽車工業(yè)而言，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)既是一個最新的技術(shù)開發(fā)方法，更是一個復(fù)雜的仿真工具，它旨在建立一種人工環(huán)境，人們可以在這種環(huán)境中以一種自然地方式從事駕駛、操作和設(shè)計(jì)等實(shí)時活動。并且虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也可以用于汽車設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、培訓(xùn)等方面，例如在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的三維汽車模型，可顯示汽車的懸掛、底盤、內(nèi)飾直至每個焊接點(diǎn)，設(shè)計(jì)者可確定每個部件的質(zhì)量，了解各個部件的運(yùn)行性能。這種三維模式準(zhǔn)確性很高，汽車制造商可按得到的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。 [7]
發(fā)展局限
即使VR技術(shù)前景較為廣闊，但作為一項(xiàng)高速發(fā)展的科技技術(shù)，其自身的問題也隨之漸漸浮現(xiàn)，例如產(chǎn)品回報(bào)穩(wěn)定性的問題、用戶視覺體驗(yàn)問題等。對于VR企業(yè)而言，如何突破目前VR發(fā)展的瓶頸，讓VR技術(shù)成為主流仍是他們所亟待解決的問題。 [8]
首先，部分用戶使用VR設(shè)備會帶來眩暈、嘔吐等不適之感，這也造成其體驗(yàn)不佳的問題。部分原因來自清晰度的不足，而另一部分來自刷新率無法滿足要求。據(jù)研究顯示，14k以上的分辨率才能基本使大腦認(rèn)同，但就目前來看，國內(nèi)所用的VR設(shè)備遠(yuǎn)不及騙過大腦的要求。消費(fèi)者的不舒適感可能產(chǎn)生的其對VR技術(shù)是否會對自身身體健康造成損害的擔(dān)憂，這必將影響VR技術(shù)未來的發(fā)展與普及。 [8]
VR體驗(yàn)的高價位同樣是制約了其擴(kuò)張的原因之一。在國內(nèi)市場中，VR眼鏡價位一般都在三千元以上。當(dāng)然這并非是短時間內(nèi)可以解決的問題，用戶如果想體驗(yàn)到更好的視覺享受，必然要為其內(nèi)部更高的電腦支付高昂的價格。若想要使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到推廣，確保其內(nèi)容的產(chǎn)出和回報(bào)率的穩(wěn)定十分關(guān)鍵。其所涉及內(nèi)容的制作成本與體驗(yàn)感決定了消費(fèi)者接受VR設(shè)備的程度，而對于該高成本的內(nèi)容，其回報(bào)率難以預(yù)估。其中對VR原創(chuàng)內(nèi)容的創(chuàng)作無疑加大了其中的難度。 [8]
參考資料
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ErgoVR工業(yè)設(shè)計(jì)與用戶體驗(yàn)
ErgoVR工業(yè)設(shè)計(jì)與用戶體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室符合工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究需求及特點(diǎn)，能夠直接對接常用建模軟件，直接對接產(chǎn)品的虛擬現(xiàn)實(shí)原型，便于研究人員推進(jìn)實(shí)驗(yàn)。解決方案可用于領(lǐng)域內(nèi)諸多研究中，例如產(chǎn)品設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)、用戶體驗(yàn)等。通過同步采集人員主客觀多維度數(shù)據(jù)的方式，結(jié)合“以人為中心”的研究思路，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)與規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)、對人員的偏好與行為加工特點(diǎn)與路徑進(jìn)行探究。 -
ErgoVR虛擬現(xiàn)實(shí)時空行為記錄儀能夠在虛擬環(huán)境下采集個體的時空導(dǎo)航數(shù)據(jù)以及交互信息，用戶可以創(chuàng)建任何虛擬研究場景，實(shí)時采集被試在虛擬空間下的行走軌跡、空間熱圖以及不同時空位置下的多維度數(shù)據(jù)反應(yīng)，可進(jìn)行空間設(shè)計(jì)規(guī)劃評價、功能區(qū)設(shè)計(jì)評價、常規(guī)工作流程提取等工作。
