虛擬現(xiàn)實(shí)(Viaual Reality，簡稱VR)作為一種綜合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)而發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的新技術(shù)，目前所涉及的研究應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)包括軍事、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、教育、科研、商業(yè)、影視、娛樂、制造業(yè)、工程訓(xùn)練等。VR技術(shù)已經(jīng)被公認(rèn)為是21世紀(jì)重要的發(fā)展學(xué)科以及影響人們生活的重要技術(shù)之一。

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

自從計(jì)算機(jī)發(fā)明以來，計(jì)算機(jī)一直是傳統(tǒng)信息處理環(huán)境的主體，它只具有在數(shù)字化的單維信息空間中處理問題的能力。而事實(shí)上，人類是依靠自己的感知和認(rèn)知能力全方位的獲取知識(shí)，是在多維化的信息空間中認(rèn)識(shí)問題。這樣就產(chǎn)生了人類認(rèn)識(shí)問題的認(rèn)識(shí)空間與計(jì)算機(jī)處理問題的信息空間不一致的矛盾，人類被排斥在計(jì)算機(jī)為主體的信息處理環(huán)境之外，而且較難以直接理解信息處理工具的處理結(jié)果，更難以把人類的感知能力和認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)信息處理環(huán)境直接聯(lián)系起來。因此，人們迫切需要突破現(xiàn)有的數(shù)字計(jì)算機(jī)只能處理單純數(shù)字信息的限制，建立一個(gè)能包容圖像、聲音、化學(xué)氣味等多種信息源的信息空間，人們不但可以從外部觀察信息處理的結(jié)果，而且能通過視覺、聽覺、嗅覺、口令、手勢等多種形式參與到信息處理環(huán)境中去，這種信息處理環(huán)境被稱為虛擬環(huán)境。虛擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真。

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(其中虛擬世界是全體虛擬環(huán)境的總稱)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所建立的信息空間，已不再是單純的數(shù)字信息空間，而是一個(gè)包容多種信息的多維化的信息空間(Cyberspace)，人類的感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)能力都能在這個(gè)多維化的信息空間中得到充分的發(fā)揮。

要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)能讓參與者具有身臨其境感，具有完善地交互作用能力的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，在硬件方面，需要高性能的計(jì)算機(jī)軟硬件和各類先進(jìn)的傳感器；軟件方面，主要是需要提供一個(gè)能產(chǎn)生虛擬環(huán)境的工具集。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

VR用三個(gè)“I”，“Immersion”、“Interaction”、“Imagination”來說明虛擬現(xiàn)實(shí)的特征，即沉浸、交互、想象，三者缺一不可。

1、沉浸性(Immersion)

是指用戶作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度。使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備，便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一員。使用者與虛擬環(huán)境中的各種對象的相互作用，就如同在現(xiàn)實(shí)世界中的一樣。使用者在虛擬環(huán)境中，一切感覺都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺。

2、交互性(Interaction)

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。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進(jìn)行交互。計(jì)算機(jī)能根據(jù)使用者的頭、手、眼、語言及身體的運(yùn)動(dòng)，來調(diào)整系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像及聲音。使用者通過自身的語言、身體運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作等自然技能，就能對虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行考察或操作。

3、多感知性(Imagination)。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中裝有視、聽、觸、動(dòng)覺的傳感及反應(yīng)裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中通過人機(jī)交互，可獲得視覺、聽覺、觸覺、動(dòng)覺等多種感知，從而達(dá)到身臨其境的感受。研究和開發(fā)VR是為了擴(kuò)展人類的認(rèn)知與感知能力，建立和諧的人機(jī)環(huán)境。VR技術(shù)是人與技術(shù)完善的結(jié)合，它是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和人-機(jī)交互技術(shù)發(fā)展之產(chǎn)物，人在整個(gè)系統(tǒng)中占有十分重要的地位。利用VR技術(shù)的手段，使我們對所研究的對象和環(huán)境獲得“身臨其境”的感受，從而提高人類認(rèn)知的廣度與深度，拓寬人類認(rèn)識(shí)客觀世界的“認(rèn)識(shí)空間”和“方法空間”，最終達(dá)到更本質(zhì)地反映客觀世界的實(shí)質(zhì)。

沉浸式VR系統(tǒng)

沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等各種交互設(shè)備把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，而使用戶真正成為VR系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)參與者，并能利用這些交互設(shè)備操作和駕馭虛擬環(huán)境，產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。

沉浸式VR系統(tǒng)的特點(diǎn)

① 高度的沉浸感。

沉浸式VR系統(tǒng)采用多種輸入與輸出設(shè)備來營造一個(gè)虛擬的世界，并使用戶沉浸于其中，同時(shí)還可以使用戶與真實(shí)世界完全隔離，不受外面真實(shí)世界的影響。

② 高度實(shí)時(shí)性。

在虛擬世界中要達(dá)到與真實(shí)世界相同的感覺，如當(dāng)人運(yùn)動(dòng)時(shí)，空間位置跟蹤定位設(shè)備需及時(shí)檢測到，并且經(jīng)過計(jì)算機(jī)運(yùn)算，輸出相應(yīng)的場景變化，并且這個(gè)變化必需是及時(shí)的，延遲時(shí)間要很小。

沉浸式VR系統(tǒng)的基本組成

沉浸式VR系統(tǒng)的分類

常見的沉浸式VR系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的VR系統(tǒng)、投影式VR系統(tǒng)、遙在系統(tǒng)。

基于頭盔式顯示器采用頭盔式顯示器或投影式VR系統(tǒng)是或投影式顯示系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)完全投入。它把現(xiàn)實(shí)世界與之隔離，使參與者從聽覺到視覺都能投入到虛擬環(huán)境中去。

遙在系統(tǒng)是一種遠(yuǎn)程控制形式，常用于VR系統(tǒng)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)。

VR沉浸式技術(shù)的發(fā)展趨勢

沉浸式技術(shù)正在快速發(fā)展，一定程度上改變了消費(fèi)者、企業(yè)與數(shù)字世界的互動(dòng)方式。用戶期望更大程度上從2D界面轉(zhuǎn)移到更身臨其境的3D世界，從3D捕捉更豐富、更平滑的圖景，從3D獲得新的體驗(yàn)。

在未來五年：3D接口及相關(guān)技術(shù)環(huán)節(jié)將發(fā)生連續(xù)變化，人工智能有望從2018年開始對沉浸式解決方案產(chǎn)生更大的影響，包括添加個(gè)性化元素。

第一：使用3D輸入/出接口取代傳統(tǒng)的平面交互

人工智能和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的進(jìn)步將為3D圖像掃描、創(chuàng)建和消費(fèi)者用戶案例提供更多的價(jià)值。預(yù)計(jì)計(jì)算機(jī)視覺功能將越來越多地嵌入智能手機(jī)和智能終端。亞馬遜最近投資于人體實(shí)驗(yàn)室，用于3D人體模型掃描。一些初創(chuàng)企業(yè)和公司，如Styku和Bodi.me，正在推動(dòng)3D人體掃描，以實(shí)現(xiàn)對衣服的虛擬試穿和健康狀況評估。

空間音頻的進(jìn)步可以為用戶提供既能將聲音放置在3D環(huán)境中，又能檢測出聲音位置來源的體驗(yàn)。Google VR音頻系統(tǒng)創(chuàng)建多個(gè)虛擬揚(yáng)聲器來再現(xiàn)聲波。空間音頻的進(jìn)步可以為用戶提供在三維環(huán)境中放置聲音以及探測聲音的位置源的體驗(yàn)，而DearVR空間連接簡化了集成音頻之間的互動(dòng)環(huán)境和3D空間渲染。

智能手機(jī)廠商的強(qiáng)大投資，為3D深度感知成為智能手機(jī)的標(biāo)配功能開辟了道路。蘋果公司已經(jīng)將3D深度傳感技術(shù)嵌入到新的iphone x中。它使用了Tof深度傳感器。索尼推出了其Xperia xz1系列的3D創(chuàng)建者應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序通過用單個(gè)攝像頭從多個(gè)角度拍攝物體或表面來創(chuàng)建3D圖像。Gartner預(yù)計(jì)，中國、韓國等其他手機(jī)大公司將在2018年迅速效仿這一做法。

最近，高通和奇景光電宣布合作，利用結(jié)構(gòu)光模塊（SLIM）3d depthsensing提升Android智能手機(jī)的功能；英特爾的RealSense 3D傳感攝像頭解決方案已經(jīng)嵌入在個(gè)人電腦和平板電腦；Windows 10支持的混合PC機(jī)中的3D攝像機(jī)已用于windows系統(tǒng)進(jìn)入驗(yàn)證。

微軟正積極推動(dòng)3D、混合現(xiàn)實(shí)與其全息鏡頭的融合，其Windows 10于2017年10月發(fā)布的更新，提供了許多3D工具，如繪制3D或啟用3D對象到Office。微軟最近收購了社交VR公司altspaceVR。臉譜網(wǎng)推出了它的社交VR平臺(tái)臉譜網(wǎng)空間。

在室內(nèi)使用3D全息廣告平臺(tái)正在變得可行，商業(yè)化的供應(yīng)商如三星、英特爾、國家地理、天空和百事可樂等主要品牌正在加快3D全息圖布局，以提高產(chǎn)品和品牌體驗(yàn)。隨著廠商不斷提高產(chǎn)品知名度，主流產(chǎn)品的價(jià)格不斷降低，相機(jī)市場正在發(fā)生變化。像臉譜網(wǎng)這樣的公司通過提供一個(gè)平臺(tái)來創(chuàng)建和分享虛擬內(nèi)容，正有效地激發(fā)用戶的興趣。

沉浸式技術(shù)的進(jìn)步，加上人工智能和計(jì)算機(jī)視覺，將重塑用戶與數(shù)字世界、現(xiàn)實(shí)世界互動(dòng)的未來。從使用3D獲取更豐富、平滑的輸入，到使用3D來呈現(xiàn)新體驗(yàn)，用戶的期望將從2D界面逐漸轉(zhuǎn)向更豐富、更沉浸式的3D世界。

對于涉及與3D技術(shù)合作的戰(zhàn)略規(guī)劃者，需要快速建立與圖像處理、專業(yè)軟件、圖像傳感器公司的關(guān)系，這將是在價(jià)值鏈中占領(lǐng)高地的關(guān)鍵。這一價(jià)值鏈將圍繞3D移動(dòng)設(shè)備和智能手機(jī)市場增長而增長。5G網(wǎng)絡(luò)、專注于人機(jī)界面(HCI)改進(jìn)的專用AI芯片將加速這一競爭。

第二：更豐富的智能設(shè)備的形象

智能手機(jī)攝像頭幫助用戶生成以家人、朋友、同事為主題的數(shù)字內(nèi)容，導(dǎo)致那些在全球廣泛共享的照片和視頻內(nèi)容快速增長。對于AR、VR、MR的成長，一個(gè)關(guān)鍵的組成部分將是豐富。栩栩如生和動(dòng)畫體驗(yàn)的形象。這些體驗(yàn)將真實(shí)地反映用戶的生理和性格，從而提升在虛擬環(huán)境中所需的親密感并實(shí)現(xiàn)共存。

在協(xié)作環(huán)境中，呼聲最高的往往是“更多的對象”，制造商將越來越多地填補(bǔ)空白，提供下一代產(chǎn)品目錄，使用圖像識(shí)別將真實(shí)的場景、準(zhǔn)確的云描述、數(shù)字孿生（Digital Twin）聯(lián)系起來。然而，要真正讓用戶感覺完全沉浸在虛擬環(huán)境中，就需要一個(gè)虛擬形象來代表和描繪用戶。

虛擬形象是一個(gè)圖標(biāo)或人物，代表一個(gè)特定的人在一個(gè)視頻游戲、社會(huì)環(huán)境或虛擬空間。幾十年來，虛擬人類互動(dòng)實(shí)驗(yàn)室(VHIL)一直在探索從面部表情到身體位置等虛擬人的視覺描繪的細(xì)微差別，以及它們?nèi)绾螌ι鐣?huì)互動(dòng)產(chǎn)生明確的影響。

一是語音技術(shù)。例如，亞馬遜在2017年推出了它的語音標(biāo)記功能，允許開發(fā)人員通過同步語音和面部動(dòng)畫來進(jìn)行唇同步。

二是面部跟蹤技術(shù)。臉譜網(wǎng)展示了今年早些時(shí)候的社會(huì)虛擬實(shí)驗(yàn)。通過機(jī)器學(xué)習(xí)工具從2d照片中推斷3D模型。例如：loom.ai通過機(jī)器學(xué)習(xí)將自拍轉(zhuǎn)換為個(gè)人3D形象，并以內(nèi)嵌式自動(dòng)實(shí)現(xiàn)頭像的創(chuàng)建過程。它使用公共API和視覺效果(VFX)創(chuàng)建逼真的可視化，然后可以動(dòng)畫化，并用于一系列應(yīng)用程序。

三是人體掃描技術(shù)。多倫多的ITSME這樣的公司使用全身掃描，并且能夠在掃描后的一分鐘內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)個(gè)人的3D形象。它的第一款產(chǎn)品ITSMIJI，允許個(gè)性化形象作為表情符號(hào)。

這些技術(shù)也將在消費(fèi)環(huán)境中發(fā)揮作用，用戶當(dāng)前不存在于社會(huì)虛擬現(xiàn)實(shí)中，將能夠支持基本的自動(dòng)化交互。像Furhat機(jī)器人公司這樣的動(dòng)畫廠商也將擴(kuò)大業(yè)務(wù)，提供品牌體驗(yàn)，利用應(yīng)用于酒店、商店、交通樞紐和其他公共場所的ARVR技術(shù)。

第三：戴式顯示器的主流

頭盔顯示器將從2016的1,600萬臺(tái)增長到2021年的6,700萬臺(tái)(復(fù)合年增長率為33%)。在這個(gè)預(yù)測期內(nèi)，ARHMD將增長到這一數(shù)量的近一半。由于蘋果和谷歌等領(lǐng)先廠商發(fā)布了各自的平臺(tái)ARkit和ARcore，開發(fā)者和消費(fèi)者的關(guān)注度有所提高。

AR是一組技術(shù)集合，提供一種將物理世界與數(shù)字信息結(jié)合在一起的體驗(yàn)和用戶界面。智能手機(jī)實(shí)際上是消費(fèi)者的個(gè)性化設(shè)備。智能手機(jī)上的一般消費(fèi)者AR體驗(yàn)很難獲得吸引力，這是因?yàn)樾问揭蛩?手持)限制了用戶的行為。大眾市場的用戶不愿意不停地拿起手機(jī)到他們周圍的環(huán)境，以獲得更多的信息。

隨著時(shí)間的推移，這些設(shè)備將成為用戶的重要裝備，多模態(tài)（觸摸、手勢、語音和運(yùn)動(dòng)）和免提交互將成為這些設(shè)備的主流功能。消費(fèi)者將開始轉(zhuǎn)變，從智能手機(jī)到HMDS，以更透明、更直觀的方式與物理和數(shù)字世界互動(dòng)。

計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)將使消費(fèi)者能夠直觀地搜索和識(shí)別其物理環(huán)境。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)的銷售額絕大多數(shù)來源于頭盔顯示器，主要是索尼PSVR，Oculus Rift和HTC；移動(dòng)設(shè)備如三星的GearVR。

另一方面，AR的興趣更多地集中在企業(yè)的使用上，消費(fèi)者的使用受到硬件成熟度、用戶體驗(yàn)、受眾范圍、隱私等因素的阻礙。隨著時(shí)間的推移，技術(shù)使AR體驗(yàn)更加舒暢，性價(jià)比更高，我們預(yù)計(jì)ARhmd銷售將超過VRhmd銷售。

這也是因?yàn)锳R可以作為用戶在物理世界和數(shù)字世界之間的用戶界面，而VR僅限于純數(shù)字再現(xiàn)的交互。

第四：虛擬與現(xiàn)實(shí)的交互

Gartner預(yù)計(jì)，到2020年，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)將合并他們的特性和功能。預(yù)計(jì)，微軟的其他技術(shù)供應(yīng)商可能在2018年和2019年推出更便宜的MR硬件。混合現(xiàn)實(shí)是市場中的一種沉浸式解決方案，不像AR和VR那么成熟，這項(xiàng)技術(shù)是通過一個(gè)帶有透明鏡頭的耳機(jī)，將3D圖形疊加到真實(shí)世界的視圖上。

MR促進(jìn)了復(fù)雜的用戶體驗(yàn)，增強(qiáng)了真實(shí)世界的視覺覆蓋、音頻和觸覺反饋。混合現(xiàn)實(shí)目前處于早期階段，以航空航天、空間探索、汽車制造、建筑和設(shè)計(jì)、醫(yī)療保健等領(lǐng)域?yàn)?a target="_blank">中心正在進(jìn)行試點(diǎn)。該技術(shù)使企業(yè)能夠使用復(fù)雜的多通道和多視覺體驗(yàn)來橋接物理真實(shí)世界和虛幻世界。

更自然的是，與3D對象和數(shù)字世界進(jìn)行交互，并提供虛擬和真實(shí)環(huán)境的更靈活的集成，支持在業(yè)務(wù)和虛擬現(xiàn)實(shí)中更廣泛的協(xié)作場景。可視化和定制新車、新房子、新的互動(dòng)游戲、新的購物或娛樂體驗(yàn)（博物館或旅游目的地）等方面將潛伏商機(jī)。

第五，硬件與市場的整合

沉浸式技術(shù)包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)。AR與實(shí)際環(huán)境相關(guān)度較高，VR使得用戶被放置到充分的虛擬環(huán)境中，MR把虛擬對象被插入到實(shí)際環(huán)境中。谷歌和蘋果兩家公司，都在積極關(guān)注身臨其境的體驗(yàn)，并將其帶給主流用戶。

最近推出的ARcore，旨在使AR開發(fā)人員能夠不需要特殊的深度傳感器來操作安卓系統(tǒng)。蘋果的關(guān)注點(diǎn)是AR，因?yàn)樘O果已經(jīng)發(fā)布了ARkit(IOS 11的一部分)。iPhoneX也有一個(gè)正面的3D深度感測相機(jī)，將允許用戶查看三維的世界。微軟是市場的領(lǐng)導(dǎo)者，它的全息透鏡設(shè)備正在引領(lǐng)未來。

沉浸式設(shè)備和技術(shù)的現(xiàn)實(shí)市場非常分散，就像蘋果、微軟和谷歌等科技巨頭的新興科技市場一樣，如今占據(jù)的市場份額不到15%。所有這三家領(lǐng)先的技術(shù)供應(yīng)商都對沉浸式的現(xiàn)實(shí)市場抱有很高的期望。他們希望在這些市場上獲勝，因?yàn)檫@是用戶如何與設(shè)備以及物理和虛擬世界互動(dòng)的一個(gè)新興前沿。

目前，AR、VR和MR更像是一個(gè)單獨(dú)的市場，每個(gè)市場都有特定的參與者。沉浸式現(xiàn)實(shí)解決方案的成功不僅取決于硬件/設(shè)備的可用性和能力，還取決于內(nèi)容、開發(fā)人員的支持和生態(tài)系統(tǒng)。

因此，預(yù)計(jì)沉浸式現(xiàn)實(shí)市場將在2018和2019年經(jīng)歷大量整合，將看到更大的平臺(tái)領(lǐng)導(dǎo)者出現(xiàn)，比如谷歌、微軟和蘋果、臉譜網(wǎng)等，技術(shù)的進(jìn)步也將推動(dòng)未來三至五年內(nèi)AR、VR和MR市場的融合，因?yàn)樾碌脑O(shè)備將能夠支持不同層次的沉浸體驗(yàn)。

沉浸式技術(shù)若要使得用戶與內(nèi)容和媒體之間的互動(dòng)更加愉快、充實(shí)，我們還有很多工作需要做。而這一切的實(shí)現(xiàn)主要取決于將用戶置于其價(jià)值主張核心的技術(shù)設(shè)計(jì)。