行业研究丨穿越想象与现实的壁障—— 虚拟现实的现状与展望

虚拟现实发展及定义

虚拟现实起源于1965年美国Ivan·Sutherland在IFIP会议上发表的题为“The ultimate Display”的论文。Sutherland在论文中提出了感觉真实、交互真实的人机协作理论，并认为人们可以通过显示屏对虚拟世界进行观察。随后，他本人成功研发了头盔式立体显示器以及一个虚拟系统，这个虚拟系统被称为第一个虚拟现实系统。但受制于技术因素，虚拟现实发展仍十分缓慢。直到上世纪90年代，计算机硬件与软件水平的提升，能够通过数据建立实时动画，使得虚拟现实技术才步入快速发展新阶段，也正是在这个时候，虚拟现实技术的三个特征Imagination（构想）、Interaction（交互）、Immersion（沉浸）被提出，虚拟现实理论进一步完善。进入21世纪，虚拟现实技术的发展继续高歌猛进，人们不断开发更先进的虚拟现实技术和相关设备，并通过降低成本，进行虚拟现实商业化，寻求技术的落地与产品的普及，虚拟现实这个旧时“堂前燕”，已飞入寻常的百姓家中。

深圳市人工智能行业协会认为，虚拟现实技术是一种综合利用以计算机技术为核心的现代信息技术生成逼真的、可交互的虚拟环境，给予用户关于视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等感官的模拟沉浸感觉的技术。一般而言，虚拟现实核心技术主要包含近眼显示技术、感知交互技术、渲染处理技术、内容制作技术等，具有多感知性、沉浸性、交互性等特征。

根据展现及操作方式的不同，虚拟现实技术可以分为以下四类：桌面式虚拟现实、沉浸式虚拟现实、增强式虚拟现实、分布式虚拟现实。基于沉浸式体验分类，可分为非交互式体验、人—虚拟环境交互式体验以及群体—虚拟环境交互式体验等。

虚拟现实技术

桌面式虚拟现实由个人计算机或低端图形工作站实现，参观者通过计算机的显示屏对虚拟世界进行观察，同时，参观者还可以利用鼠标、数据手套等外部设备对虚拟世界中的各类对象进行操作。桌面式虚拟现实成本较低，应用范围广，但其呈现出的虚拟场景效果一般，缺乏沉浸感，仅作为初级阶段的虚拟现实，例如美国苹果公司开发的QuickTime Virtual Reality，就是一款基于静态图像处理的初级虚拟现实技术的跨平台多媒体套件。

沉浸式虚拟现实相较于桌面式虚拟现实更加高级，它能给予用户对虚拟世界完全沉浸的体验。沉浸式虚拟现实技术是通过头戴显示设备将用户的感官系统与外部真实环境分隔，同时系统利用安装在头戴显示器上的多个追踪器，追踪用户眼部、手部等情况，以模拟出实时的虚拟场景。沉浸式虚拟现实技术最初应用于航天员及飞行员的训练当中，后在娱乐领域也涉及广泛，例如日本索尼公司推出的PlayStation VR设备。

 增强式虚拟现实实际上与虚拟现实有着本质的区别。虚拟现实是完全创造出一个虚拟的世界对现实世界进行取代，而增强式虚拟现实则是基于现实环境进行呈现。简而言之，增强式虚拟现实是将计算机生成的虚拟影像置于真实的环境之中，扩充现实环境信息以带给参观者的更真实的感受。增强式虚拟现实技术一次典型的应用案例是在网络游戏英雄联盟2017年全球总决赛的开幕式上，赛事主办方使用计算机建模制作了一条巨龙，通过AR技术使其“飞入”场馆，好像真实地站在观众面前，给人们强烈的视觉冲击。

分布式虚拟现实（简称DVR）是分布式系统和虚拟现实技术的结合，是基于网络虚拟环境的一个虚拟现实系统。不同物理位置的多个用户可以通过网络在同一个虚拟世界里进行观察、交互和信息资源分享，依赖于分布式计算机的计算能力以及网络通信水平。在电影《头号玩家》中，虚拟世界“绿洲”就是通过分布式虚拟现实技术运行，无论是在货车车厢里，还是在简陋的房间，只要拥有相关设备的用户都可以进入“绿洲”进行实时交互。

虚拟现实发展现状

虚拟现实技术在我国起步较晚，但发展十分迅速。目前中国的AR、VR技术已达到国际前列水平。深圳市人工智能行业协会总结了目前虚拟现实技术的四个方面的发展现状。在近眼显示方面，快速响应液晶屏、折反式已规模量产。在感知交互方面，内外追踪技术已全面成熟，手势追踪、眼动追踪、沉浸声场等技术开始逐步成熟。在渲染处理方面，云渲染、人工智能与注视点技术等进一步优化渲染质量与效率间的平衡。在内容制作方面，WebXR、OS、OpenXR等支撑工具稳健发展。但是，目前虚拟现实技术仍存在一定的缺陷，感知延伸技术的不成熟、实时三维建模技术缺乏、精确定位技术误差大、眩晕和人眼疲劳都是制约虚拟现实技术进一步应用的问题。

虚拟现实技术应用场景广泛。目前，虚拟现实技术主要应用于商业、娱乐、军事、医疗等领域。在商业领域，由于虚拟现实自身的交互性与沉浸性，使用虚拟现实技术进行商业产品的推广有着比传统推广手段更好的效果。目标群体能在交互的过程中更加直观的感受产品的功能和内容，沉浸式的体验也能加深目标群体对产品的记忆，提高其对产品的整体印象，以此获得更高的经济效益。在娱乐领域，虚拟现实技术所提供的的沉浸感，能给人们带来身临其境的感受，无论是电影、游戏以及现实模拟，都能极大地提升人们精神的满足感。同时，虚拟舞台、虚拟游乐园等虚拟娱乐场景的建立，让人们足不出户也能体验户外的场景，改变人们娱乐方式。在军事领域，虚拟现实技术更多地应用于军事训练、军事演习以及沙盘兵棋推演。虚拟现实所创造的虚拟场景，能够让士兵们体验到更加丰富且真实的战斗环境，以此提高其在不同场景下的作战能力以及在极端环境下的应变能力。在医疗领域，虚拟现实技术所提供的能力与军事领域相类似，主要帮助医护人员进行紧急救助培训和模拟手术训练。除此之外，利用虚拟现实技术可以创造虚拟人体，以供医生进行模拟解剖和模拟治疗的演练和复盘。由此可见，虚拟现实技术在当前已涉及多个领域，并且在这些领域当中都发挥着巨大的作用。

虚拟现实发展展望

虚拟现实作为一个拥有巨大应用潜力的高新技术，受到国家广泛关注，现已成为国家重点战略布局方向之一。2022年10月28日，工业和信息化部、教育部、文化和旅游部、国家广播电视总局、国家体育总局印发《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022-2026年）》，计划指出：虚拟现实（含增强现实、混合现实）是新一代信息技术的重要前沿方向，是数字经济的重大前瞻领域，将深刻改变人类生产生活方式。同时，虚拟现实产业也有巨大的发展前景，工信部预计，2026年我国的虚拟现实产业规模将突破3500亿元，虚拟现实产业将迈入发展快车道。未来，在政策赋予的宽松发展环境之下，虚拟现实将随着科技水平的不断提高、应用技术的不断落地，虚拟现实在各领域的应用逐步深入并渗透到社会各行各业，不断改变着人们的生活方式，其市场前景十分广阔。

虚拟现实背景：从古代到未来

中国古代小说《聊斋志异》中描述过一个名叫“画壁”的故事。故事的主人公孟龙潭与一位姓朱的举人在参观一座寺庙的壁画时，朱举人为画中仙女所吸引，误入壁画中的世界。书中描述其“身忽飘飘，如驾云雾，已到壁上。见殿阁重重，非复人世。”并且，在壁画之中，朱举人聆听佛家讲座、与仙女相识、被天界士兵搜捕，心情跌宕起伏，居然产生了“竟不复忆身之何自来也”的感受。

其实这个壁画中的世界，可以认为是古代人们对于虚拟现实的想象。人在壁画中所做的种种事情，体现的是虚拟现实的交互性；人在壁画中的所获得的新体验，是虚拟现实构想性；人在壁画中的感受，则是虚拟环境带给人的沉浸感。这意味着在古代，人们就已经在文字中构想虚拟现实的概念了。随着现代科学与计算机技术的不断发展，古人想象之中的虚拟世界，已经能够通过科技手段进行呈现。人们可以利用计算机对参与者施加视觉、听觉和触觉感受以营造虚拟环境，并允许其与虚拟环境产生直接或间接的交互。然而，当前的虚拟现实技术仅是一个开端，并不是终点。

前些年，美国电影《头号玩家》所展现的正是现代人对未来虚拟现实的一种设想：当现实世界逐渐破败，生活压力骤增，人们纷纷通过一种设备，进入一个叫“绿洲”的虚拟世界中。这个虚拟世界是一个应有尽有且完整的世界，有着属于自己的运行逻辑和秩序，人们可以在里面做规则允许之内的任何事情。这样一种设想，代表着人们对虚拟现实未来的预测，也从侧面也表达了虚拟现实技术将会有越来越广泛的应用场景和广阔的发展前景。