- 虚拟现实技术基础与应用
- 李建 王芳主编 张天伍 杨爱云 李雨恒副主编
- 22829字
- 2021-03-31 20:34:29
第1章 虚拟现实技术概述
学习目标
●理解虚拟现实的概念
●了解虚拟现实技术的特性
●了解虚拟现实技术的发展历程
●了解虚拟现实产业的发展现状与前景
●能够区分VR、AR与MR
虚拟现实技术是20世纪末逐渐兴起的一门综合性技术，涉及计算机图形学、多媒体技术、传感技术、人机交互、显示技术、人工智能等多个领域，交叉性非常强。虚拟现实技术在教育、医疗、娱乐、军事等众多领域有着非常广泛的应用前景。由于改变了传统的人与计算机之间被动、单一的交互模式，用户和系统的交互变得主动化、多样化、自然化，因此虚拟现实技术被认为是21世纪发展最为迅速、对人们的工作生活有着重要影响的计算机技术之一。
1.1 虚拟现实概念
1.1.1 基本概念
虚拟现实是从英文Virtual Reality一词翻译过来的，简称“VR”，是由美国VPL Research公司创始人Jaron Lanier在1989年提出的，Lanier认为：Virtual Reality指的是由计算机产生的三维交互环境，用户参与到这些环境中，获得角色，从而得到体验。
之后，许多学者对虚拟现实的概念进行了深入的探讨，Nicholas Lavroff在《虚拟现实游戏室》一书中将虚拟现实定义为：使你进入一个真实的人工环境里，并对你的一举一动所做出的反应，与在真实世界中一模一样。
Ken Pimentel和Kevin Teixeira在《虚拟现实：透过新式眼镜》一书中，将虚拟现实定义为：一种浸入式体验，参与者戴着被跟踪的头盔，看着立体图像，听着三维声音，在三维世界里自由地探索并与之交互。
L.Casey Larijani在《虚拟现实初阶》一书中认为，虚拟现实潜在地提供了一种新的人机接口方式，通过用户在计算机创造的世界中扮演积极的参与者角色，虚拟现实正在试图消除人机之间的差别。
我国著名科学家钱学森教授认为虚拟现实是视觉的、听觉的、触觉的以至嗅觉的信息，使接受者感到身临其境，但这种临境感不是真的亲临其境，只是感受而已，是虚的。为了使人们便于理解和接受虚拟现实技术的概念，钱学森教授按照我国传统文化的语义，将虚拟现实称为“灵境”技术。
我国著名计算机科学家汪成为教授认为，虚拟现实技术是指在计算机软硬件及各种传感器（如高性能计算机、图形图像生产系统、特制服装、特制手套、特制眼镜等）的支持下生成的一个逼真的、三维的，具有一定视、听、触、嗅等感知能力的环境；使用户在这些软硬件设备的支持下，以简捷、自然的方法与由计算机所产生的“虚拟”世界中的对象进行交互作用。虚拟现实技术是现代高性能计算机系统、人工智能、计算机图形学、人机接口、立体影像、立体声响、测量控制、模拟仿真等技术综合集成的结果，目的是建立起一个更为和谐的人工环境，如图1-1所示。
图1-1 VR场景示意图
我国虚拟现实领域的资深学者、工程院院士赵沁平教授认为，虚拟现实是以计算机技术为核心，结合相关的科学技术，生成一定范围内与真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境。用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。
总之，目前学术界普遍认为，虚拟现实技术是指采用以计算机技术为核心的现代高新技术，生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的虚拟环境，参与者可以借助必要的装备，以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互，并相互影响，从而获得等同真实环境的感受和体验，如图1-2所示。
图1-2 交互方式的改变
虚拟现实系统中的虚拟环境，包括以下几种形式。
1）模拟真实世界中的环境。这种真实环境可能是已经存在的，也可能是已经设计好但还没有建成的，或者是曾经存在但现在已经发生变化、消失或者受到破坏的。例如，地理环境、建筑场馆、文物古迹等。
2）人类主观构造的环境。此环境完全是虚构的，是用户可以参与，并与之进行交互的非真实世界，如图1-3所示。例如，影视制作中的科幻场景，电子游戏中三维虚拟世界。
3）模仿真实世界中人类不可见的环境。这种环境是真实环境，客观存在的，但是受到人类视觉、听觉器官的限制，不能感应到，如图1-4所示。例如，分子的结构，空气中的速度、温度、压力的分布等。
图1-3 影视制作中的科幻场景
图1-4 模拟的分子结构
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。
1.1.2 虚拟现实技术的特性
虚拟现实技术基于动态环境建模技术、立体显示和传感器技术、系统开发工具应用技术、实时三维图形生成技术、系统集成技术等多项核心技术，主要围绕虚拟环境表示的准确性、虚拟环境感知信息合成的真实性、人与虚拟环境交互的自然性，通过实时显示、图形生成、智能技术等问题的解决，使得用户能够身临其境地感知虚拟环境，从而达到探索、认识客观事物的目的。
1994年美国科学家G.Burdea和P.Coiffet在《虚拟现实技术》一书中提出，虚拟现实技术具有以下3个重要特性，分别是沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination），常被称为虚拟现实的3I特征。
1.沉浸感（Immersion）
沉浸感是指用户感受到被虚拟世界所包围，好像完全置身于虚拟世界之中一样。虚拟现实技术最主要的技术特征是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由观察者变成参与者，沉浸其中并参与虚拟世界的活动。
与人们熟悉的二维空间不同的是，成熟的虚拟现实的视觉空间、视觉形象是三维的，音响效果也是精密仿真的三维效果。虚拟现实是根据现实世界的真实存在，由计算机模拟出来的。它客观上并不存在，但一切都符合客观规律。它所实现的是使用户进入到三维世界中，运用多重感受完全参与到构建的“真实”世界中去。
虚拟现实系统根据人类的视觉、听觉的生理和心理特点，通过外部设备及计算机产生逼真的三维立体图像，并利用头盔式显示器或其他设备，把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，提供一个新的、虚拟的、非常逼真的感觉空间。参与者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。当使用者移动头部时，虚拟环境中的图像也实时地随着变化，做拿起物体的动作可使物体随着手的移动而运动。这种沉浸感是多方面的，不仅可以看到，而且可以听到、触到及嗅到虚拟世界中所发生的一切，并且给人的感觉相当真实，以至于能使人全方位地临场参与到这个虚幻的世界之中。
虚拟现实系统应该具备人在现实世界中具有的所有感知功能，但鉴于目前技术的局限性，在现在的虚拟现实系统的研究与应用中，较为成熟或相对成熟的主要是视觉沉浸、听觉沉浸、触觉沉浸技术，而有关味觉与嗅觉的感知技术正在研究之中，目前还不成熟。
2.交互性（Interaction）
交互性指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。交互性的产生，主要借助于虚拟现实系统中的特殊硬件设备，如数据手套、力反馈装置等，使用户能通过自然的方式，产生与在真实世界中一样的感觉。虚拟现实系统比较强调人与虚拟世界之间进行自然的交互，交互性的另一个方面主要表现在交互的实时性。
例如，虚拟模拟驾驶系统中，用户可以控制包括方向、挡位、刹车、座位调整等各种信息，系统也会根据具体变化瞬时传达反馈信息。用户可以用手直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。崎岖颠簸的道路，用户会感觉到身体的震颤和车的抖动；上下坡路，用户会感受到惯性的作用；漆黑的夜晚，用户会感觉到观察路况的不便等。
交互性能的好坏是衡量虚拟现实系统的一个重要指标。在虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用计算机键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊的头盔、数据手套等传感设备交互。参与者不是被动地感受，而是可以通过自己的动作改变感受相应的变化。计算机能够根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。参与者通过自身的感官、语言、身体运动或肢体动作等，就能对虚拟环境中的对象进行观察或操作。
3.构想性（Imagination）
构想性指虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。虚拟现实虽然是根据现实进行模拟，但所模拟的对象却是虚拟存在的，它以现实为基础，却可能创造出超越现实的情景。所以虚拟现实技术可以充分发挥人的认识和探索能力，从定性和定量等综合集成的思维中得到感性和理性的认识，从而进行理念和形式的创新，以虚拟的形式真实地反映设计者的思想、传达用户的需求。
虚拟现实技术不仅仅是一个媒体或一个高级用户界面，同时还是为解决工程、医学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件。虚拟现实技术的应用，为人类认识世界提供了一种全新的方法和手段，可以使人类跨越时间与空间，去经历和体验世界上早已发生或尚未发生的事件；可以使人类突破生理上的限制，进入宏观或微观世界进行研究和探索；也可以模拟因条件限制等原因而难以实现的事情。
例如，在一个现代化的大规模景观规划设计中，需要对地形地貌、建筑结构、设施设置、植被处理、地区文化等进行细致、海量的调查和构思，绘制大量的图纸，并按照计划有步骤地进行施工。很多项目往往已经施工完成后却发现不适应当地季节气候、地域文化、生活习惯，无法进行相应改动而留下永久的遗憾。而虚拟现实以最灵活、最快捷、最经济的方式，在不动用一寸土地且成本降到极限的情况下，供用户任意进行设计改动、讨论和呈现不同方案的多种效果，并可以使更多的设计人员、用户参与设计过程，确保方案的最优化。此外，在对未知世界和无法还原的事物进行探索和展示方面，虚拟现实有其无可比拟的优势。它以现实为基础创造出超越现实的情景，大到可以模拟宇宙太空，把人带入浩瀚无比的宇宙空间，小到可以模拟原子世界里的动态演化，把人带入肉眼不可见的微粒世界。
图1-5 虚拟现实系统的组成
1.1.3 虚拟现实系统的组成
一套完善的虚拟现实系统，主要由以下几个部分组成，如图1-5所示。
1.三维的虚拟环境产生器及其显示部分
这是虚拟现实系统的基础部分，它可以由各种传感器的信号来分析操作者在虚拟环境中的位置及观察角度，并根据在计算机内部建立的虚拟环境的模型快速产生图形，快速显示图形。
2.由各种传感器构成的信号采集部分
这是虚拟现实系统的感知部分，传感器包括力、温度、位置、速度以及声音传感器等，这些传感器可以感知操作者移动的距离和速度、动作的方向、动作力的大小以及操作者的声音。产生的信号可以帮助计算机确定操作者的位置及方向，从而计算出操作者所观察到的景物，也可以使计算机确定操作者的动作性质及力度。
3.由各种外部设备构成的信息输出部分
这是虚拟现实系统使操作者产生感觉的部分，感觉包括听觉、触觉甚至还可以有嗅觉、味觉等。正是虚拟现实系统产生的这些丰富的感觉，才使操作者能真正地沉浸于虚拟环境中，产生身临其境的感觉。
1.2 虚拟现实技术的发展
1.2.1 虚拟现实技术发展历程
虚拟现实技术并不是近几年才出现的新鲜事物，它从梦想到真正落实成产品的历史，几乎可以与电子计算机的历史相比肩。虚拟现实是一项跨学科的综合性技术，因此它的发展必然受到不同学科发展进程的影响。伴随着电子计算机技术、人机交互技术、计算机网络与通信等技术的发展，虚拟现实的发展走过了半个多世纪，期间经历了多次发展热潮。
1.虚拟现实技术的探索阶段（20世纪初期—20世纪70年代）
人类对虚拟现实的探索是从各种仿真模拟器开始的。1929年LinkE.A发明了一种飞行模拟器，让乘坐者可以体验飞行的感觉。可以说，这是人类模拟仿真物理现实世界的初次尝试，如图1-6所示。
1935年，小说家Stanley G.Weinbaum在小说中描述了一款虚拟现实眼镜，以眼镜为基础，包括视觉、嗅觉、触觉等全方位沉浸式体验的虚拟现实概念，该小说被认为是世界上率先提出虚拟现实概念的作品。
1962年，电影摄影师Morton Heilig构造了一个多感知、仿真环境的虚拟现实系统，这套被称为Sensorama Simulator的系统也是历史上第一套虚拟现实系统，如图1-7所示。Sensorama Simulator能够提供真实的3D体验，例如，用户在观看摩托车行驶的画面时，不仅能看到立体、彩色、变化的街道画面，还能听到立体声，感受到行车的颠簸、扑面而来的风，还能闻到相应的芳香。Sensorama Simulator还曾经被美国空军引进，用来进行飞行训练。
图1-6 LinkE.A发明的飞行模拟器
图1-7 Sensorama Simulator系统
实际上，早在1960年，Heilig还提交了一款虚拟现实设备的专利申请文件，这款设备不像Sensorama Simulator那样体积庞大，是一款便携式的头戴设备，专利文件上的描述是“用于个人使用的立体电视设备”。尽管这款设计来自于50多年前，但可以看出与Oculus Rift、Google Cardboard之间有着很多相似之处，如图1-8所示。
1965年，美国国防部高级研究计划署（Adoanced Research Projects Agency，ARPA）信息处理技术办公室主任Ivan Sutherland发表了一篇题为“The Ultimate Display”的论文。文章指出，应该将计算机显示屏幕作为“一个观察虚拟世界的窗口”，计算机系统能够使该窗口中的景象、声音、事件和行为非常逼真。Sutherland的这篇文章给计算机界提出了一个具有挑战性的目标，人们把这篇论文称为是研究虚拟现实的开端，他的工作场景如图1-9所示。
图1-8 海力格头戴设备的设计图
图1-9 计算机图形学之父：Ivan Sutherland
在虚拟现实技术发展史上一个重要的里程碑是，在1968年Ivan Sutherland和学生Bob Sproull在麻省理工学院的林肯实验室研制出第一个头盔显示器（Head-Mounted Display，HMD），也被称为The Swordof Damocles（达摩克利斯之剑），如图1-10所示。因此，许多人认为Ivan Sutherland不仅是“图形学之父”，而且还是“虚拟现实之父”。
这个采用阴极射线管（CRT）作为显示器的HMD可以跟踪用户头部的运动，当用户移动位置或转动头部时，用户在虚拟世界中所在的“位置”和应看到的内容也随之发生变化。人们可以通过这个“窗口”看到一个虚拟的、物理上不存在的，却与客观世界的物体十分相似的“物体”。
2.虚拟现实技术基本概念的逐步形成阶段（20世纪80年代初—20世纪80年代末）
20世纪80年代，Eric Howlett发明了额外视角系统（缩写为LEEP系统），这套系统可以将静态图片变成3D图片。1987年，另外一位著名的计算机科学家Jaron Lanier，同样制造了一款价值10万美元的虚拟现实头盔，被称为第一款真正投放市场的虚拟现实商业产品，如图1-11所示。
图1-10 The Sword of Damocles（达摩克利斯之剑）
图1-11 虚拟现实头盔
该阶段，虚拟现实进入快速发展期，虚拟现实的主要研究内容及基本特征初步明朗，在军事演练、航空航天、复杂设备研制等重要应用领域有了广泛的应用。
3.虚拟现实技术全面发展阶段（20世纪90年代初—至今）
这一阶段虚拟现实技术从研究转向了应用。进入20世纪90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能。人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入/输出设备不断地进入市场，这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。
早在20世纪90年代，就已经有3D游戏上市，虚拟现实在当时也引发了较高关注度。例如，游戏方面有Virtuality的虚拟现实游戏系统和任天堂（Nintendo）的Vortual Boy游戏机，电影方面有《异度空间》（Lawnmower Man）、《时空悍将》（Virtuosity）和《捍卫机密》（Johnny Mnemonic），书籍方面有《雪崩》（Snow Crash）和《桃色机密》（Disclosure）。但是，当时的虚拟现实技术没有跟上媒体不切合实际的想象。例如，3D游戏画质较差，价格高，时间延迟，设备计算能力不足等。最终，这些产品以失败告终，因为消费者对这些技术并不满意，所以第一次虚拟现实热潮就此消退。
2014年，Facebook以20亿美元收购Oculus后，虚拟现实热潮再次袭来。虚拟现实技术成熟度已经达到市场爆发的临界点，消费级产品将会诞生。自2016年以来，虚拟现实技术已经度过了概念炒作的阶段，迎来大规模的商业化应用。虚拟现实技术已经达到推出消费级产品的程度。虚拟现实的具体技术指标体现在以下几个方面：GPU芯片运算能力、屏幕清晰度、屏幕刷新度、视场以及传感器，其中尤其关键的是屏幕清晰度以及产品刷新率。目前的主流手机厂商的高配手机都已经推出了2K屏幕，而三星推出的120Hz的显示器也即将量产。虚拟现实元器件综合技术水平的提升使得产品已经能够满足消费者的基本需求。
为促进虚拟现实“产、学、研、用”等协同发展，我国2015年12月成立了中国虚拟现实与可视化产业技术创新战略联盟。自2016年起，江西南昌、山东青岛、福建福州等政府部门，均开始筹备虚拟现实产业基地。虚拟现实研发热潮正在兴起，2016年更被称为“VR元年”。
1.2.2 国内外的虚拟现实技术研究
1.国外虚拟现实技术研究
（1）美国关于虚拟现实技术的研究
美国是虚拟现实技术的发源地，对于虚拟现实技术的研究最早是在20世纪40年代。一开始用于美国军方对宇航员和飞行驾驶员的模拟训练。随着科技和社会的不断发展，虚拟现实技术也逐渐转为民用，集中在用户界面、感知、硬件和后台软件4个方面。20世纪80年代，美国国防部和宇航局组织了一系列对于虚拟现实技术的研究，研究成果惊人。美国宇航局的Ames实验室正致力于一个叫“虚拟行星探索”（VPE）的试验计划。现在NASA已经建立了航空、卫星维护虚拟现实训练系统和空间站虚拟现实训练系统，并且已经建立了可供全国使用的虚拟现实教育系统。
北卡罗来纳大学是进行虚拟现实研究最早、最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。
洛马林达大学医学中心的David Warner博士和他的研究小组成功地将计算机图形及虚拟现实的设备用于探讨与神经疾病相关的问题，首创了虚拟现实儿科治疗法。
SRI研究中心建立了“视觉感知计划”，研究现有虚拟现实技术的进一步发展。1991年后，SRI进行了利用虚拟现实技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿真来减少飞行事故。
华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室（HITLab）将虚拟现实研究引入到教育、设计、娱乐和制造领域。伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中支持远程协作的分布式虚拟现实系统。
乔治梅森大学研制出一套动态虚拟环境中的流体实时仿真系统；波音公司利用虚拟现实技术在真实的环境上叠加了虚拟环境，让工件的加工过程得到有效的简化；施乐公司主要将虚拟现实技术用于未来的办公室中，设计了一项基于虚拟现实的窗口系统。传感器技术和图形图像处理技术是上述虚拟现实项目的主要技术，从目前来看，时间的实时性和空间的动态性是虚拟现实技术的主要焦点。
（2）欧洲关于虚拟现实技术的研究
在欧洲，英国在辅助设备设计、分布并行处理和应用研究方面处于领先地位。欧洲其他一些比较发达的国家，如德国以及瑞典等也积极进行了虚拟现实技术的研究和应用。德国将虚拟现实技术应用在改造传统产业方面，一是用于产品设计、降低成本，避免新产品开发的风险；二是产品演示，吸引客户争取订单；三是用于培训，在新生产设备投入使用前，用虚拟工厂来提高工人的操作水平。瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境是一个基于UNIX的、在不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室（TNO-PEL）开发的训练和模拟系统，通过改进人机界面来改善现有模拟系统，以使用户完全介入模拟环境。
（3）亚洲关于虚拟现实技术的研究现状
在亚洲，日本是居于领先地位的国家之一，主要致力于建立大规模虚拟现实知识库的研究，另外在虚拟现实的游戏方面也做了很多工作。东京技术学院精密和智能实验室开发了一个用于建立三维模型的人性化界面。
NEC公司开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都使用“代用手”去处理三维CAD中的形体模型，该系统通过数据手套把对模型的处理与操作者手的运动联系起来。
日本国际电气通信基础技术研究所（ATR）正在开发一套系统，这套系统能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入。东京大学的高级科学研究中心将他们的研究重点放在远程控制方面，最近的研究项目是主从系统。该系统可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂。东京大学原岛研究室开展了3项研究：人类面部表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示和动态图像的提取。富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与虚拟现实环境的相互作用。他们还在研究虚拟现实中的手势识别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以识别表示词的信号语言。值得一提的是，日本奈良先端科学技术大学院大学教授千原国宏领导的研究小组于2004年开发出一种嗅觉模拟器，只要把虚拟空间里的水果放到鼻尖上一闻，装置就会在鼻尖处放出水果的香味，这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破。
2.国内虚拟现实技术的研究
与一些发达国家相比，我国虚拟现实技术的研究起步较晚，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展虚拟现实技术的研究。国家“863计划”、九五规划、国家自然科学基金委、国家高新技术研究发展计划等都把虚拟现实列入为研究项目。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到这一领域的研究工作中。
北京航空航天大学计算机学院是国内最早进行虚拟现实研究、最有权威的单位之一。北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室在分布式虚拟环境网络上开发了直升机虚拟仿真器、坦克虚拟仿真器、虚拟战场环境观察器、计算机兵力生成器，连接装甲兵工程学院提供的坦克仿真器，基本完成了分布式虚拟环境网络下分布交互仿真使用的真实地形，并正在联合多家单位开发J7、F22、F16及单兵等虚拟仿真器。他们的总体设计目标是为我国军事模拟训练与演习提供一个多武器协同作战或对抗的战术演练系统。
浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，采用层面叠加绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。
哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时的头势和手势动作、话音和语调的同步等。
清华大学对虚拟现实和临场感进行了研究，例如，球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。还针对室内环境水平特征丰富的特点，提出了借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三维结构的新颖算法。
西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——立体显示技术进行了研究。在借鉴人类视觉特性的基础上，提出了一种基于JPEG标准的压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且已经通过实验结果证明了这种方案的优越性。
北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心。关于虚拟现实的研究已经完成了2个“863”项目，完成了体视动画的自动生成部分算法与合成软件处理，完成了虚拟现实图像处理与演示系统的多媒体平台及相关的音频资料库，制作了一些相关的体视动画光盘。
北京科技大学虚拟现实实验室，成功开发出了纯交互式汽车模拟驾驶培训系统。由于开发出的三维图形非常逼真，虚拟环境与真实的驾驶环境几乎没有什么差别，因此投入使用后效果良好。
杭州大学用虚拟现实技术开发出故宫漫游器，使用者骑在“自行车”上，戴上头盔式显示器，便可远远地看到天安门。当蹬动“自行车”的脚蹬时，便走近天安门、越过金水桥、穿过午门，经由太和门来到太和殿前的广场；甚至可以“破墙”而入“冲”进太和殿，看到金銮殿内盘龙的柱子、庄严的殿堂。然后“骑”着车来到御花园，看到红墙、绿树、亭台楼阁。
近年来，故宫博物院文化资产数字化应用研究所推出了《紫禁城·天子的宫殿》系列大型虚拟现实作品，现已完成6部，并通过故宫数字化应用研究所的演播厅、奥运塔的故宫数字演播厅等场所公开播放。《紫禁城·天子的宫殿》作品充分发挥了计算机技术的优势，把物质文化遗产和非物质文化遗产很好地展示出来。参观者通过手柄操作，在太和殿的正殿内自由漫步，仿佛身临其境般地仔细欣赏太和殿的奢华内檐装修、金龙和玺彩画。作品把乾隆皇帝的设计思想和内心世界利用新技术手段表现出来，达到了学术性、教育性、趣味性和观赏性的高度统一。
从整体上看，我国虚拟现实技术仍处于早期和初步的阶段，才刚刚看到虚拟现实的潜力。虚拟现实技术系统要达到实用化、普遍化，还需要大力发展相关软件和硬件，还有较长的路要走。尽管这样，虚拟现实技术作为一种全新的人机交互技术，它提供了人与计算机的一种直接、自然的接触关系，最终必将得到广泛的应用，甚至走进千家万户。
1.2.3 虚拟现实技术发展趋势
虚拟现实技术虽然在21世纪得到了快速的发展，但仍处于初创时期，远未达到成熟阶段。虽然还不能清楚地设想出未来虚拟现实出现并普及的新形式，但可以通过应用媒介领域的形态变化原则和延伸媒介领域的主要传播特性，对未来的发展方向做一些展望。
1.动态环境建模技术
虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。有规则的环境的三维数据获取可以采用CAD技术，而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。
2.实时三维图形生成和显示技术
在生成三维图形方面，目前的技术已经比较成熟，关键是如何才能够做到实时生成，在不对图形的复杂程度和质量造成影响的前提下，如何让刷新频率得到有效的提高是今后研究的重要内容。另外，虚拟现实技术还依赖于传感器技术和立体显示技术的发展，现有的虚拟设备还不能够让系统的需要得到充分的满足，需要开发全新的三维图形生成和显示技术。
3.新型交互设备的研制
虚拟现实技术使人能够自由地与虚拟世界对象进行交互，犹如身临其境，借助的输入/输出设备主要有头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此，新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据衣服将成为未来研究的重要方向。
4.大型网络分布式虚拟现实的研究与应用
网络虚拟现实是指多个用户在一个基于网络的计算机集合当中，利用新型的人机交互设备介入计算机中，产生多维的、适用于用户的虚拟情景环境。分布式虚拟环境系统除了要让复杂虚拟环境计算的需求得到满足之外，还需要让协同工作以及分布式仿真等应用对共享虚拟环境的自然需要得到满足。分布式虚拟现实可以看成是一种基于网络的虚拟现实系统，可以让多个用户同时参与，让不同地方的用户进入到同一个虚拟现实环境当中。
随着众多分布式虚拟环境（Distributed Virtual Environment，DVE）开发工具及其系统的出现，DVE本身的应用也渗透到各行各业，包括医疗、工程、训练与教学以及协同设计。仿真训练和教学训练是DVE的又一个重要的应用领域，包括虚拟战场、辅助教学等。另外，研究人员还用DVE系统来支持协同设计工作。近年来，随着Internet应用的普及，一些面向Internet的DVE应用使得位于世界各地的多个用户可以协同工作。将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络联结起来，采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟合成环境，参与者可自由地进行交互。特别是在航空航天中的应用价值极为明显，因为国际空间站的参与国分布在世界的不同区域，分布式虚拟现实训练环境不需要在各国重建仿真系统，这样不仅减少了研制费和设备费用，而且减少了人员出差的费用以及异地生活的不适。
总之，虚拟现实技术将与人们的生活更多地结合起来，从日常游戏娱乐、到教育、医疗、房产等多个领域，虚拟现实都将全面普及。行业的不断发展，其应用范围也将愈加广阔。虚拟现实技术将应用于更多的行业领域，改变人类生活。
1.3 虚拟现实技术的分类
根据用户参与虚拟现实形式的不同以及沉浸程度的不同，可以把各种类型的虚拟现实系统划分为四类：沉浸式虚拟现实系统、增强式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统。
1.3.1 沉浸式虚拟现实系统
沉浸式虚拟现实系统采用头盔显示，以数据手套和头部跟踪器为交互装置，把参与者或用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，使参与者暂时与真实环境相隔离，而真正成为虚拟现实系统内部的一个参与者，并可以利用各种交互设备的操作来驾驭虚拟环境，给参与者一种充分投入的感觉。沉浸式虚拟现实系统能让人有身临其境的真实感觉，因此常常用于各种培训演示及高级游戏等领域。但是由于沉浸式虚拟现实系统需要用到头盔、数据手套、跟踪器等高技术设备，因此它的价格比较昂贵，所需要的软件、硬件体系结构也比桌面式虚拟现实系统更加灵活。
沉浸式虚拟现实系统具有如下特点。
1）具有高度的实时性。用户改变头部位置时，跟踪器实时监测，送入计算机处理，快速生成相应的场景。为使场景能平滑地连续显示，系统必须具备较小延迟，包括传感器延迟和计算延迟。
2）高度沉浸感。该系统必须使用户和真实世界完全隔离，依赖输入和输出设备，使用户完全沉浸在虚拟环境里。
3）具有强大的软硬件支持功能。
4）并行处理能力。用户的每一个行为都和多个设备的综合有关。如手指指向一个方向，会同时激活3个设备：头部跟踪器、数据手套及语音识别器，产生3个事件。
5）良好的系统整合性。在虚拟环境中，硬件设备互相兼容，与软件协调一致地工作，相互作用，构成一个虚拟现实系统。
1.3.2 增强式虚拟现实系统
增强式虚拟现实系统不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强在现实中无法或不方便获得的感受。增强现实是在虚拟现实与真实世界之间的沟壑上架起一座桥梁。因此，增强现实的应用潜力是相当巨大的。例如，可以利用叠加在周围环境上的图形信息和文字信息，指导操作者对设备进行操作、维护或修理，而不需要操作者去查阅手册，甚至不需要操作者具有工作经验；既可以利用增强式虚拟现实系统的虚实结合技术进行辅助教学，同时增进学生的理性认识和感性认识，也可以使用增强式虚拟现实系统进行高度专业化的训练等。
增强式虚拟现实系统的主要特点如下。
1）真实世界与虚拟世界融为一体。
2）具有实时人机交互功能。
3）真实世界和虚拟世界在三维空间中整合。
1.3.3 桌面式虚拟现实系统
桌面式虚拟现实系统是利用个人计算机和低级工作站实现仿真，计算机的屏幕作为参与者或用户观察虚拟环境的一个窗口，各种外部设备一般用来驾驭该虚拟环境，并且用于操纵在虚拟场景中的各种物体。由于桌面式虚拟现实系统可以通过桌上台式机实现，所以成本较低，功能也比较单一，主要用于计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、建筑设计、桌面游戏等领域。
桌面式虚拟现实系统虽然缺乏类似头盔显示器那样的沉浸效果，但它已经具备虚拟现实技术的要求，并兼有成本低、易于实现等特点，因此目前应用较为广泛。
1.3.4 分布式虚拟现实系统
分布式虚拟现实系统，是指在网络环境下，充分利用分布于各地的资源，协同开发各种虚拟现实产品。分布式虚拟现实系统是沉浸式虚拟现实系统的发展，它把分布于不同地方的沉浸式虚拟现实系统通过网络连接起来，共同实现某种用途，使不同的参与者联结在一起，同时参与一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，使用户协同工作达到一个更高的境界。
分布式虚拟现实系统具有以下特征。
1）共享的虚拟工作空间。
2）伪实体的行为真实感。
3）支持实时交互，共享时钟。
4）多用户相互通信。
5）资源共享并允许网络上的用户对环境中的对象进行自然操作和观察。
1.4 虚拟现实产业发展现状与前景
根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006—2020年）的内容，虚拟现实技术属于前沿技术中信息技术部分的三大技术之一。重点研究电子学、心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统和多媒体技术等多学科融合的技术，研究医学、娱乐、艺术、教育、军事及工业制造管理等多个相关领域的虚拟现实技术。
1.4.1 国内虚拟现实产业发展情况
我国从20世纪90年代起开始重视虚拟现实技术的研究和应用，由于技术和成本的限制，主要应用对象为军用和高档商用，适用于普通消费者的产品近年来才随着芯片、显示、人机交互技术的发展，逐步进入市场。目前在国内形成了以北京航空航天大学、清华大学、工业和信息化部电子工业标准化研究院、浙江大学等各大高校、研究院所和高科技公司联合研究、开发、制作，产、学、研密切结合的良好发展局面。
目前，我国虚拟现实企业主要分为两大类别。一类是成熟行业依据传统软硬件或内容优势向虚拟现实领域渗透。其中智能手机及其他硬件厂商大多从硬件布局。例如，联想与蚁视合作研发的便携式设备乐檬蚁视虚拟现实眼镜；魅族与拓视科技开展合作，推出手机虚拟现实头盔。而游戏、动漫制作厂商或视频发布平台，大多从软件和内容层面切入。2015年7月，爱奇艺宣布将发布一款非商用的虚拟现实应用，目前已经和一些虚拟现实厂商做了初步适配，优酷土豆集团董事长兼CEO古永锵在首届开放生态大会上宣布将正式启动虚拟现实内容的制作。另一类是新型虚拟现实产业公司，包括生态型、平台型公司和初创型公司。该类型企业在硬件、平台、内容、生态等领域进行一系列布局，以互联网厂商为领头羊。例如，腾讯、暴风科技、乐视网等。
艾媒咨询的数据显示，2015年中国虚拟现实行业市场规模为15.4亿元，2016年为68.2亿元，2020年国内市场规模预计将超过550亿元，我国虚拟现实产业正在高速发展中。
据中国产业调研网发布的2016年中国虚拟现实市场现状调研与发展前景预测分析报告显示，目前，虚拟现实产业正在跨越萌芽期，行业发展空间广阔。伴随着面向消费市场的硬件和内容的批量上市，2016年虚拟现实产业迎来小爆发；预计到2020年，全球头戴VR设备年销量将达4000万台左右，市场规模约400亿元，加上内容服务和企业级应用，市场容量超过千亿元；长期来看，有望开启万亿市场。
1.4.2 国外虚拟现实产业发展情况
自2014年以来，虚拟现实热再次袭来。在2014—2015年，虚拟现实、增强现实领域共进行了225笔风险投资，投资额达到了35亿美元。Digi-Capital的数据（2015年12月）显示，2015年全年各企业在增强现实/虚拟现实领域的投资额已突破10亿美元。而根据CBInsights的统计，2014年全球虚拟现实公司的风险融资额高达7.75亿美元，同比增长超过100%，2015上半年实现融资额2.48亿美元。与20世纪90年代的失败相比，当前计算机的运算能力足够强大，足以用于渲染虚拟现实世界。同时，手机的性能得到大幅提升。总之，当前的技术已经解决了20世纪90年代的许多局限。也正因如此，一些大型科技公司逐步参与其中。
Oculus首席科学家Michael Abrash表示，公司仍在继续研发触觉、视觉显示、音频和追踪等方面的技术。这意味着2016年发布的虚拟现实、增强现实产品将开始解决上述问题，并且在未来几年里还会持续改善。
目前虚拟现实行业仍处于起步阶段，供应链及配套还不成熟，但是发展前景引人想象，预计未来市场潜力巨大。按照Digi-Capital的预测，虚拟现实、增强现实硬件和软件市场潜力将达到1500亿美元规模，预计未来5年复合增长率超过100%。而据游戏行业分析公司Superdata预测，到2017年底将会卖出7000万台虚拟现实头显，带来88亿美元的虚拟现实硬件盈利和61亿美元的虚拟现实软件盈利。根据TrendForce的最新预测，2016年虚拟现实的市场总价值接近67亿美元。到2020年，如果苹果加入，其价值可能会高达700亿美元。从各咨询研究机构的预测数据来看，虚拟现实、增强现实未来5年将实现超高速增长。
1.4.3 虚拟现实产业链
虚拟现实产业链长、产业带动比高、涉及产业众多，包括虚拟现实工具与设备、内容制作、分发平台、行业应用和相关服务等在军事、民用以及科研等方面的各种应用，如图1-12所示。
图1-12 虚拟现实产业链图
虚拟现实产业链中，工具和设备类可细分为输入设备、输出设备、显示设备、拍摄设备以及相关软件等；内容制作可细分为影视、游戏、声音等内容；分发平台可细分为应用商店、社交影院、实体体验店、网站、播放器等内容；行业应用可细分为工业、军事、医疗、教育、房地产、旅游、会展等内容；相关服务可细分为平台、媒体和孵化器等内容。由于虚拟现实产业涉及从基础硬件生产、软件开发、核心部件制造、实体以及网络分发平台、营销与服务等众多军事、民用领域，需要在国家统一协调和管理下，通过技术标准体系以及关键标准的制定、标准符合性检测和相应的质量验证系统的支撑，才可以使产业健康、可持续发展。
1.4.4 虚拟现实产业发展前景
1.市场规模增长迅速
投资银行Digi-Capital的报告显示，到2020年全球虚拟现实市场规模为300亿美元。研究机构ABI-Research预测，VR/AR设备出货量将由2015年的150万台增长至2020年的4300万台，年复合增长率高达106%，到2025年甚至可能达到智能手机出货量的一半。
高盛发布的《下一个通用计算平台》报告称，基于标准预期，2025年全球军事领域VR/AR市场规模将达15亿美元；医疗、教育、零售领域的VR/AR市场规模将分别达到51亿美元、7亿美元和16亿美元；游戏、视频娱乐、直播领域的VR/AR市场规模将分别达到116亿美元、32亿美元和41亿美元。
2.技术和产品成熟度将大幅提升
（1）技术走向成熟
屏幕刷新率、屏幕分辨率和设备计算能力等逐渐成熟，输入设备姿态矫正、复位功能、精准度、延迟，传输设备提速和无线化，更小体积硬件下的续航能力和存储容量，配套系统和中间件开发等技术也将日趋完善。
（2）内容更加丰富
目前已经有大量内容公司投入到虚拟现实内容的开发制作中，未来几年，包括PGC、UGC、影视剧、直播以及游戏等虚拟现实内容的数量和质量将会得到质的提升。基于这些内容，虚拟现实设备的普及率和活跃率将得到坚实的保障。
（3）产品主流形态发生更迭
虚拟现实产品主要包括计算机端、移动端和一体机三种形态。其中，计算机端具有高配置、体验效果佳等优势，是目前最被推崇和看好的虚拟现实形态，也是市场上数量最多的虚拟现实产品。相对而言，虽然被众多手机厂商捧起的移动虚拟现实更方便，但在体验上与计算机端产品相差很大，在虚拟现实最主要的沉浸感和交互性方面难以达到用户的要求，当前仍难以满足多数人的需求。而作为技术含量最高的虚拟现实一体机，既包含了移动虚拟现实的方便性和便捷性，同时也包含了计算机端虚拟现实的高体验感，在虚拟现实领域毫无疑问是最优秀的产品。虽然面临着处理芯片研发不足、内容缺失和智能化程度低等一系列问题，但一体机将会成为未来虚拟现实产品的主流形态。
3.产业生态圈构建成为竞争焦点
目前，虚拟现实设备标准尚不统一，不同品牌产品纷纷涌现，因此硬件厂商纷纷搭建平台，并开放自己的软件开发工具包（SDK），意图建立自己的生态系统。微软拥有Windows10 Store与Xbox Store，Facebook拥有Oculus Store，同时也能为其Oculus Rift提供社交平台，两者均开放了软件开发工具包在内的一整套开发系统。未来虚拟现实设备的生态系统之争将会愈演愈烈，已成功建立生态系统的厂商将占据更大优势。就中国国内而言，硬件市场已经有乐相科技、小鸟看看、暴风魔镜等产品较为成熟的厂商，其拥有巨大的先发优势，在国内市场处于领先位置。而且硬件对资金要求较高，留给创业团队的机会已经不多，大批硬件创业公司的死亡也表明虚拟现实硬件领域生存艰难，因而虚拟现实内容制作市场相对来说更适合初创团队的进入。目前虚拟现实内容方面尚缺少标杆性产品，也没有统一的标准，且内容相比硬件来说更具多元化，依靠小规模团队也能制作出具有竞争优势的产品。可以预计，未来虚拟现实市场很可能会是硬件厂商几家独大、内容厂商百花齐放的局面。
1.5 增强现实与混合现实技术
1.5.1 增强现实与混合现实的概念
在2016年，一直处于互联网科技圈关注中心的增强现实/虚拟现实技术惊艳亮相于各大卫视跨年演唱会的舞美设计，在微博、微信朋友圈等各大社交平台收获无数好评，成为卫视跨年混战的最大赢家。
湖南卫视跨年演唱会采用增强现实技术和全息技术，让偶像演员马可搭档二次元虚拟歌手洛天依、乐正绫同台献艺，“虚实结合”成功打破了次元壁垒，不同的摄像机角度和灯光变幻让人物和场景实现快速绘制，达到令人惊叹的场景切换效果。江苏卫视的增强现实舞美效果更是惊艳四座，视野开阔的四面台及地面屏幕实时运动跟踪系统，让增强现实效果以更逼真的姿态呈现在观众眼前。歌手李健演唱时，蓝鲸从“海面”腾空而起，闪转腾挪之后，一头扎入“海”中，“水花”四溅，画面栩栩如生，现场气氛被推向高潮。这种一跃而起的鲸鱼效果最早出自MagicLeap之手，如图1-13所示，画面惊艳震撼。
图1-13 出自Magic Leap之手一跃而起的鲸鱼
增强现实（Augmented Reality，AR）是通过计算机技术，将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间，同时存在。
简单来说，虚拟现实看到的场景和人物全是假的，是把你的意识带入一个虚拟的世界。增强现实看到的场景和人物一部分是真、一部分是假，是把虚拟的信息带入到现实世界中。
混合现实（Mixed Reality，MR），包括增强现实和增强虚拟，指的是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。在新的可视化环境里，物理和虚拟数字对象共存，并实时互动。
在AR方面，微软的HoloLens开发者版本在2016年3月30日正式开售，这标志着AR从实验室走到普通家庭中已经迈出重要的一步，但是其高达3000美元的售价，也着实有点让普通消费者望而却步。但是此举是为将来的工程和教育的转变提供新的变革。
1.5.2 虚拟现实与增强现实、混合现实的区别
从概念来看，增强现实和混合现实并没有明显的分界线，都是将虚拟的景物放入现实的场景中。在增强现实的视界中，出现的虚拟场景通常都是一些二维平面信息，这些信息甚至可能和目前看到的事物无关，功能只是在不影响正常视线的情况下起到提示的作用；所以这些信息会固定在那里，无论看哪个方向，该信息都会显示在人们视野中固定的位置上。而混合现实则是将虚拟场景和现实融合在一起，只有看向那个方向的时候，才会看到这些虚拟场景，看向其他方向的时候就会有其他的信息显示出来，而且这些信息和背景的融合性更强。简单来说虚拟信息如果跟随视线移动就是增强现实，如果相对于真实物品固定就是混合现实。
1.交互的区别
虚拟现实设备：因为虚拟现实是纯虚拟场景，所以虚拟现实装备更多的是用于用户与虚拟场景的互动交互，更多的使用是：位置跟踪器、数据手套（5DT之类的）、动捕系统、数据头盔等。
增强现实设备：由于增强现实是现实场景和虚拟场景的结合，所以基本都需要摄像头，在摄像头拍摄的画面基础上，结合虚拟画面进行展示和互动，例如Google Glass（实际上iPad、手机这些带摄像头的智能产品，都可以用于增强现实，只要安装增强现实的软件就可以），如图1-14所示。
图1-14 增强现实技术的场景
2.技术的区别
VR类似于游戏制作，创作出一个虚拟场景供人体验，其核心是图形图象学的各项技术的发挥。人们接触最多的就是虚拟现实游戏，是传统游戏娱乐设备的一个升级版，主要关注虚拟场景是否有良好的体验，并不关心是否与真实场景相关。虚拟现实设备往往是浸入式的，典型的设备就是Oculus Rift。
增强现实应用了很多计算机视觉技术。增强现实设备强调复原人类的视觉功能，例如自动去识别跟踪物体，而不是手动去指出；自主跟踪并且对周围真实场景进行3D建模，而不是用户打开Maya照着场景做一个极为相似的。
混合现实能把真实世界和虚拟世界融合在一起，生成新的环境和视觉图像，让真实物体和数字物体实时共存，并进行互动。混合现实存在于物质世界或虚拟世界，是现实和虚拟现实的混合。从这个解释来看，微软的HoloLens确实更趋近于混合现实。它先通过扫描房间掌握当前空间的情况，然后精确地把数字物体混合到当前的环境里。用户可以使用自己的手去触碰这些虚拟物体，就像它们是真的一样；用户还可以在HoloLens头盔上跟这些投射到真实物体上的虚拟图像进行互动。当然，这些物体不是真的，这就是混合现实的美妙之处。
1.6 虚拟现实技术典型应用——虚拟博物馆
1.6.1 虚拟博物馆及其发展现状
1.虚拟博物馆概念
虚拟博物馆是运用数字、网络技术，将现实存在的实体博物馆的职能以数字化方式完整展现出来的博物馆。虚拟博物馆的产生是博物馆数字化过程发展到当下的一个阶段性产物，随着计算机技术发展到虚拟现实技术后，沉浸性和互动性获得了前所未有的增强，虚拟博物馆就顺势产生了。
虚拟博物馆本质上就是采用虚拟现实技术的博物馆。起初虚拟博物馆只是通过虚拟现实技术将博物馆的实体物件形象地展现在计算机屏幕上。随着计算机硬件环境的提升，允许将整个博物馆的环境连同文物一起呈现在虚拟世界之中，于是真正意义上的虚拟博物馆成形了。自此以后，参观者可以通过鼠标、键盘、手柄和虚拟眼镜等设备身临其境地体验博物馆展出内容。
众所周知，我国绝大部分博物馆都面临着展出手段单一，资金不足的困境。全国各类博物馆中的文物达1200万件，但受到各种因素的限制，能够展出的仅有一小部分，这导致展品的更换率非常低，观众实际能够观看的内容质量有限。对于一些老化破损严重的文物，情况更加危急，即使人工修复后仍难以长期展览。面对这样的实际情况，虚拟现实技术可以在比较切合自身优点的前提下解决这些问题，从而进一步促进博物馆行业的发展。
2.虚拟博物馆国外发展现状
国外由于博物馆的起步整体比中国早很多，所以在博物馆的数字化建设和虚拟现实化建设也相应早一些。一些特别的文物和主题展览由于历史的原因被摧毁或者被盗，只能从文献中窥测一二，但其内容又比较重要，具有非常高的人文价值，如果以比较合适的方式展出，能够让观众获得较大的审美感和历史感。针对这样的内容，国外博物馆较早就关注到了虚拟现实技术，发现其与博物馆展览的一些契合点，例如，都需要比较丰富的实物细节，都通过实物承载了很高的信息等。随着虚拟现实技术越发成熟，国外各博物馆均开启了各自博物馆的虚拟现实化建设。
位于美国费城的富兰克林科学博物馆便利用了虚拟现实技术，使人们沉浸在科学和技术的体验当中。在虚拟现实体验区内，该展馆中有轮换出现的各种科学内容，供游客在房间大小的空间中进行全沉浸式体验，如亲身登上火星或者月球。富兰克林科学博物馆还拥有自家的移动VR APP应用，其中一个项目就是在大海底部拍摄的360度全景视频，同时也有一些标志性展品的全景图片，如《巨大的心》《你的大脑》和《太空命令》。这款应用主要是为拥有谷歌Cardboard、三星Gear VR等手机虚拟现实头显的用户服务的，同时这也是博物馆给人们进行知识分享的一种新颖途径，如图1-15所示。
图1-15 虚拟博物馆
纽约大学的学生Ziv Schneider创作的虚拟博物馆《被盗艺术品博物馆》（The Museum of Stolen Art）也是很有意义的探索。这个博物馆的特别之处在于，它展示的都是被盗的艺术品，它们大部分在现实中已经无法被看到了。虚拟博物馆的设计仿照了现实，在白色墙壁上，挂着不同的艺术作品，配以修饰边框。Schneider计划进行三次艺术展，一次用来展示一些被盗的著名油画，另外两次，则是专注于伊拉克与阿富汗的艺术品。2003年，在美国攻占巴格达期间，伊拉克国家博物馆遭到劫掠，损失的艺术品大概有14000件。那是历史上最大的艺术盗窃事件之一。通过展出这些艺术品，Schneider想要提醒人们，真实的艺术品是非常脆弱的。人们经常关注于某个地区的武装冲突，却很少意识到，文化也是牺牲品之一。
3.虚拟博物馆国内发展现状
近年来，虚拟博物馆在我国的应用也得到了很大的发展。故宫博物院、首都博物馆、上海博物馆、南京博物院、敦煌莫高窟等文博单位都积极地利用信息技术进行辅助展示，故宫博物院和南京博物院的网络虚拟博物馆已经上线并获得了广泛的关注和好评。
“虚拟紫禁城”是中国第一个在互联网上展现重要历史文化景点的虚拟世界。北京故宫虚拟旅游，用高分辨率、精细的3D建模技术虚拟出宫殿建筑、文物和人物，并设计了6条观众游览路线。北京故宫虚拟旅游囊括了目前故宫所有对外开放的区域。为了营造尽可能真实可信的体验，技术人员通过与中国历史文化专家合作和对实际演员的真实动作进行动态捕捉，再现了一些皇家生活场景。
北京故宫虚拟旅游，游客可以像现实生活中游览故宫那样，走过每一条游览线路。虚拟紫禁城和北京故宫虚拟旅游比现实中更方便、更吸引人的是，在虚拟世界中，游客可以走进在现实中不能进入的宫殿，如太和殿。
北京故宫虚拟旅游游客在进入虚拟世界时可选择一个自己喜欢的身份，如官员、宫女、嫔妃、武士和太监等。参观时既可跟随一个导游，也可自己随意闲逛，或是自己做导游带领其他在线的游客一起参观。虚拟世界还设计了一些场景，例如，皇帝批阅奏章、用膳，太监们逗蛐蛐和武士们练射箭等，游客可以“冷眼旁观”，也可参与其中，与人物比试一番。此外，游客还能够与其他游客及一系列预设的人物进行交谈互动。这种自主性和互动性，可谓是该项目与之前的一些“虚拟游览”或数字化游览最根本的区别。
这个被称为“超越时空的紫禁城”，借助现代技术，立体地、精细地再现了故宫博物院这座满载文化宝藏的宝库，是技术与文化的完美结合。
1.6.2 虚拟博物馆的特点
虚拟博物馆的特点主要是相对于传统博物馆而言，虚拟现实特性在与传统博物馆的信息和服务相结合后产生的特点，大致可以分为以下4点。
1.跨界性
这种特性立足于互联网技术的信息快速传播。虚拟博物馆的出现，尤其是基于互联网传播的虚拟博物馆出现后，博物馆的内容传播打破了时间和空间的限制，使得人们可以随时随地通过互联网参观世界各地的博物馆，进而促进了文化的交流。这种跨界性也蕴含着横跨不同主题博物馆的意义，由于时空上的自由度很高，不同主题的博物馆可以打破原有的类型区别，从而按照更宏观的线索加以规划和布展，提升展览的效果。
同时，这种跨界性还包含另一层面的意义。历史文物、景观和建筑等由于现实世界中环境的影响会逐渐磨损、老旧，最终毁坏。但是将文物和建筑数字化保存后，其保存时间将会更长，并且虚拟文物的维护也比实体文物的维护更加便捷、安全。
2.生动性
生动性其实是从虚拟现实的特性继承而来的，广义的生动性是虚拟现实技术三维图形或全景影像的生动性，加上整合后的影片，声音等信息，使得用户可以获得全面的文物信息，更生动形象地观察和理解文物所承载的厚重文化。这种生动性优势在文物的观察上非常明显，通常情况下，大部分观众很难以自由的角度近距离观察文物的细节，但是在文物扫描技术和虚拟现实技术诞生以后，人们可以非常随意地观察名贵文物在虚拟博物馆中的高清复制品，如同在自己手中观赏把玩一样，就形成了虚拟现实博物馆中的狭义生动性，这种体验在实体博物馆是不易获得的。
3.自主性
这一特性与生动性一样由虚拟现实特性继承而来。虚拟现实技术以计算机技术为基础，而计算机从诞生之初就拥有比较高的自主性，用户可以根据自己的需要运用手段编写程序，发布命令。虚拟现实技术搭建的虚拟世界中，人作为主要的行为主体同样拥有非常大的自主选择权。例如，观众可以自由选择博物馆中任意区块跳跃性观赏，或者直接通过导航界面选择自己需要的内容进行观赏。
具体到虚拟博物馆，观众可以根据自己的需要在馆中的各个板块自由穿梭，选择性地观赏，没有丝毫的障碍。在经过一定的简单教学后，观众就能很方便地选择观赏的界面和观赏的媒体方式。对于文物背后的历史故事，选择短片或者文章的方式；对于乐器类文物，选择音频的方式；对于绘画类文物，选择图片类的方式等。
4.交流性
虚拟博物馆的交流性与传统博物馆的交流性相比，有进一步的增强。传统博物馆也存在观众和馆方的交流，这种交流以信件的方式单向进行。虚拟博物馆通过互联网的信息传递实现了观众向馆方的信息传递，同时，也增加了观众之间的信息交流，这种交流可以非常丰富，而且也体现了极强的跨界性。这不仅可以为馆方提供非常便捷准确的信息反馈，同时也活跃了观众的思维，增强了观众之间的信息交流，展现了以人为本的理念。
1.6.3 虚拟博物馆的应用技术
现有的虚拟博物馆主要采用了三种实现途径：全息影像技术，主要用于馆内虚拟展示；虚拟现实技术，可用于馆内或网络；照片缝合技术，主要用于网络上传播的虚拟博物馆。
1.全息影像技术
全息影像技术是将多角度的二维摄像通过一组组干涉光的方式进行叠加，最终实现光信息的立体呈现。全息摄像由于拍摄角度多，所需的图像信息多，在形成初期只能展现静态的物体，但是展现出的效果已经非常逼真，因此国外就有博物馆早早地采用了这种方式进行文物展示。随着计算机处理能力以及拍摄设备精度的提升，尤其是摄像机拍摄精度的提升，现在动态视频也可以进行全息式的播放，这就为博物馆的数字信息化展示增添了一条重要途径，一定程度上弥补了一些文物因为稀缺性导致的参展不足，并可以更加生动地展示文物，让参观者感受更加强烈的历史气息。
2.虚拟现实技术
虚拟现实技术可以利用计算机生成一个三维空间，并在其中模拟搭建一个虚拟的世界，然后呈现在计算机屏幕上。配合一些声音、触觉的效果后，虚拟现实技术可以为观众带来沉浸式的绝佳体验，让观众置身其中自由地体验虚拟世界中的所有事物。例如，法国的罗浮宫运用虚拟现实技术重建了毁于1661年的阿波罗画廊，并复原了中世纪的罗浮宫地堡和下水道系统，这些都是观众们现在无法进入或参观到的珍贵历史素材。伦敦博物馆也通过虚拟现实技术高度还原了著名的1666年伦敦大火，让参观者亲身经历了大半个伦敦的燃烧和十万人的灾难，从而获得亲身参与历史重大事件的震撼感受。
3.照片缝合技术
照片缝合技术是将固定位置上下、前后、左右6个视角的照片缝合成一张全视野的图片，从而形成全景图的技术。这种技术产生的图像在导入计算机后进行一些简单的处理就能为观众带来比较优良的观察环境的体验。由于是照片，所以在和场景的交互自由度上相对于虚拟现实技术稍逊一筹，但是在对环境的还原度上是非常出色的。而且由于照片的文件相对较小，运用这种技术展示的虚拟博物馆文件体量非常苗条，很适合通过互联网进行实时的传输，所以大部分网络平台上的虚拟博物馆都是运用这种技术。例如，故宫博物院虚拟线上博物馆就是运用这种技术，在配合全面的导游语音和精美的文物图片后，完美地展示了宏伟的故宫建筑群，让参观者可以足不出户畅游故宫。故宫博物院虚拟博物馆也成为国内的一个典范。
1.6.4 虚拟博物馆的发展趋势
前面已介绍了很多现有虚拟博物馆的技术、作用和特点，对虚拟博物馆有了一个比较宏观的认识。现在根据一些博物馆的基本情况，以及虚拟现实技术发展的趋势大胆地对虚拟博物馆的未来尝试性地进行一下展望，大致分为3个方向。
1）硬件和技术方向。主要是针对虚拟现实技术所依赖的计算机技术的发展。更加优化的计算机图形渲染方式，更加强大的图形和数据计算能力，无疑对于提升虚拟博物馆的视觉效果起着最直接的作用。另外，在目前移动网络普及的环境下，网络传输的速度和稳定性对虚拟博物馆的用户体验也越来越重要，在此基础上还要提升虚拟博物馆在程序结构上的优化与压缩，否则，虚拟博物馆将会受到现实空间的极大限制从而丧失其便捷的重要立足点。当然新型的体感设备未来也会对虚拟博物馆的发展起到加速和推进的作用。
2）在利用网络技术进行虚拟博物馆发布和传播的同时，网络传播中的信息结构模型也开始改变传统博物馆信息单向传递的特点，使得观众可以更加自主地观看博物馆设计的展览内容，以及发布对于这些内容的回馈信息。这对于博物馆这样信息集中度较高的部门有着比较重大的意义，便于发现和调整自己的展示方向，从而减少展览中不必要的时间成本，提升博物馆的传播效率。
3）现在大部分虚拟博物馆本质上仍然是实体博物馆在数字平台上的代言人，主要展示信息仍然来源于博物馆本身的历史素材，而只存在于计算机网络平台上的博物馆现在还没有，这和行业发展的历史先后顺序有关。当下各个行业都在积极拥抱数字技术和信息技术，但这些技术本身也在快速地发展、演化。在未来，这些技术发展历程中一些关键信息和成果会成为信息时代中的“历史文物”，从而进入一种脱离实体的真正意义上的虚拟博物馆。那时的人们也许已经脱离了传统的输入设备，以一种更加智能、更加亲和的人机交流方式参观着虚拟博物馆，而当下的技术成果也已经进入这些博物馆中了，如图1-16所示。
图1-16 未来的虚拟博物馆
总之，虚拟博物馆作为传统博物馆的延伸和拓展，充分运用了现代计算机技术和网络技术，对于信息的处理传播共性使得虚拟博物馆成了虚拟现实技术比较重要的一个应用领域。相信在未来，方兴未艾的虚拟博物馆会不断发展，为文物的展示和历史的再现提供更加丰富多彩的手段，成为文化传播的利器。
小结
本章是全书的理论基础，简要介绍了有关虚拟现实技术的基本概念和发展历程。
虚拟现实技术是指采用以计算机技术为核心的现代高新技术，生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的虚拟环境，参与者可以借助必要的装备，以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互，并相互影响，从而获得等同真实环境的感受和体验。
虚拟现实是计算机与用户之间的一种更为理想化的人-机界面形式。与传统计算机接口相比，虚拟现实系统具有三个重要特征：沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination），任何虚拟现实系统都可以用三个“I”来描述其特征。其中沉浸感与交互性是决定一个系统是否属于虚拟现实系统的关键特征。
虚拟现实技术的发展和应用基本上可以分为以下三个阶段。
第一阶段是20世纪初期到20世纪70年代，是虚拟现实技术的探索阶段。
第二阶段是20世纪80年代初到80年代末，是虚拟现实技术基本概念的逐步形成，虚拟现实技术走出实验室，开始进入实际应用的阶段。
第三阶段是从20世纪90年代初至今，是虚拟现实技术全面发展时期，消费级应用产品开始产生。
习题
一、名词解释
VR，AR，MR
二、填空题
1.虚拟现实技术的特性有____、____和____。
2.典型的虚拟现实系统主要由____、____和____等组成。
3.根据用户参与虚拟现实的不同形式以及沉浸程度的不同，可以把各种类型的虚拟现实系统划分为四类：____、____、____和____。
三、简答题
1.简述虚拟现实技术的发展历程。
2.简述虚拟现实技术的原理及本质。
3.简述不同虚拟现实系统的特点及应用情况。
四、论述题
1.谈谈你对虚拟现实技术现状及未来发展的看法。
2.你认为当前虚拟现实技术发展的主要障碍和问题是什么？