虚拟现实：计算机应用基础教程

2023-11-23 理论教育版权反馈

【摘要】：蓬勃发展的虚拟现实技术，大有“飞入寻常百姓家”的趋势。VR 通过隔绝式音、视频内容带来沉浸感体验，对显示画质要求较高；AR 强调虚拟信息与现实环境的“无缝”融合，对感知交互要求较高。VR 侧重于游戏、视频、直播与社交等大众市场，AR 侧重于工业、军事等垂直应用。广义上虚拟现实VR 包含增强现实AR，狭义上彼此独立。

虚拟现实并非新概念，早在20 世纪80 年代就已被提出并应用于模拟军事训练中。与单一的人机交互模式不同，虚拟现实旨在建立一个完全仿真的虚拟空间，提供沉浸性、多感知性、交互性的互动体验，正因如此，虚拟现实被视作下一代信息技术集大成者和计算平台。

近年来，伴随着大数据、云计算、人工智能等技术日趋成熟，虚拟现实的应用场景不断拓展。身临其境的VR 电影，足不出户的VR 购物，用于辅助治疗的VR 医疗，打造沉浸式课堂的VR 教育……蓬勃发展的虚拟现实技术，大有“飞入寻常百姓家”的趋势。

1.虚拟现实概念

虚拟现实（Virtual Reality，VR）从概念上讲，就是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术及仿真技术等多种技术而发展起来的通过模拟产生逼真的虚拟世界，给用户提供完整的视觉、听觉、触觉等感官体验，让用户身临其境地实现在自然环境下的各种感知的高级人机交互技术。

理想的VR 技术可以对情境进行全方位的“重现”乃至“创造”，包括对情境下特有的感官，如视像、声音气味、触感等做出精确的模拟。例如，4D 电影就是一种较为初级的VR技术，观众不但可以通过3D 眼镜获得与现实世界相同的三维视效，而且能够随着影片情节的进展获得其他相应的感官体验，如在电影展示地震情节时，影院的座椅也会颤动。

2.虚拟现实特性

虚拟现实具有多感知性。根据美国国家科学院院士J.Gibson 提出的概念模型，人的感知系统可划分为视觉、听觉、触觉、嗅/味觉和方向感五个部分，虚拟现实应当在视觉、听觉、触觉、运动、嗅觉、味觉方面向用户提供全方位体验。中国通信标准化协会编制的《云化虛拟现实总体技术研究白皮书（2018）》指出，虚拟现实体验具有3I 特征，分别是沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、想象性（Imagination）。

①沉浸感，是利用计算机产生的三维立体图像，让人置身于一种虚拟环境中，就像在真实客观世界中一样，给人一种身临其境的感觉。

②交互性，在计算机生成的这种虚拟环境中，可利用一些传感设备进行交互，像在真实客观世界中互动一样。

③想象性，虚拟环境可使用户沉浸其中，从而萌发联想。

3.虚拟现实核心技术

虚拟现实的建模、显示、传感、交互等重点环节提升了虚拟现实体验感。动态环境建模、实时三维图形生成、多元数据处理、实时动作捕捉、实时定位跟踪、快速渲染处理等是虚拟现实的关键技术。虚拟现实核心硬件包括视觉图形处理器（GPU）、物理运算处理器（PPU）、高性能传感处理器、新型近眼显示器件。(www.chuimin.cn)

虚拟现实的核心技术包括：

（1）近眼显示技术

实现30 PD （每度像素数）单眼角分辨率、100 Hz 以上刷新率、毫秒级响应时间的新型显示器件及配套驱动芯片的规模量产。发展人类光学系统，解决因辐合调节冲突、画面质量过低等引发的眩晕感。加速硅基有机发光二极管、微发光二极管、光场显示等微显示技术的产业化储备，推动近眼显示向高分辨率、低时延、低功耗、广视角、可变景深、轻薄小型化等方向发展。

（2）感知交互技术

加快六轴及以上GHz 惯性传感器、3D 摄像头等的研发与产业化。发展鲁棒性强、毫米级精度的自内向外追踪定位设备及动作捕捉设备。加快浸入式声场、语音交互、眼球追踪、触觉反馈、表情识别、脑电交互等技术的创新研发，优化传感融合算法，推动感知交互向高精度、自然化、移动化、多通道、低功耗等方向发展。

（3）渲染处理技术

基于视觉特性、头动交互的渲染优化算法，高性能GPU 配套时延优化算法的研发与产业化。新一代图形接口、渲染专用硬加速芯片、云端渲染、光场渲染、视网膜渲染等关键技术，推动渲染处理技术向高画质、低时延低功耗方向发展。

（4）内容制作技术

全视角12 K 分辨率、60 帧/s 帧率、高动态范目（HDR）、多摄像机同步与单独曝光、无线实时预览等影像捕捉技术，以及高质量全景三维实时拼接算法，实现开发引擎、软件、外设与头显平台间的通用性和一致性。

4.VR 与AR

早期学术界通常在VR 研讨框架下提出AR 主题，随着产业界在AR 领域持续发力，部分从业者从VR 概念框架抽离出AR。两者在关键器件、终端形态上相似性较大，在关键技术和应用领域上有所差异。VR 通过隔绝式音、视频内容带来沉浸感体验，对显示画质要求较高；AR 强调虚拟信息与现实环境的“无缝”融合，对感知交互要求较高。VR 侧重于游戏、视频、直播与社交等大众市场，AR 侧重于工业、军事等垂直应用。广义上虚拟现实VR 包含增强现实AR，狭义上彼此独立。

虚拟现实：计算机应用基础教程

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