虚拟现实技术的发展及其行业应用

虚拟现实技术的发展及其行业应用

一何谓虚拟现实技术虚拟现实（VirtualReality，VR）技术是一种仿真技术，也是一门极具前沿性的交叉学科，它通过计算机将仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、传感技术、多媒体技术相结合，生成一种虚拟的场景，这种虚拟的、融合多源信息的三维立体动态场景给人的感觉就像真实的世界一样，打破传统有框的场景进入无框的虚拟世界。（一）虚拟现实系统构成1.模拟环境系统虚拟场景，是由计算机生成的动态3D立体图像，特点是非常逼真，让使用者有更强的沉浸感，“欺骗”使用者的眼睛和大脑，让使用者不知道是在虚拟的世界还是真实的世界。2.感知系统除计算机图形技术生成的视觉感知以外，还有听觉、触觉、味觉和嗅觉等，让使用者真实地感知虚拟世界发生的一切。3.自然技能系统指使用者产生的一切行为数据，都由该系统来处理，以使对使用者的输入及时响应并反馈到人的感官。4.传感系统主要是指虚拟现实应用中用到的三维交互设备。比如用眼球捕捉、数据手套、感应服装等代替传统的鼠标、键盘，让使用者更自然地和虚拟世界进行交互。（二）虚拟现实的技术特点虚拟现实是由计算机生成的，是多种技术的结合，具体有以下四种主要特征。1.存在性虚拟现实技术是根据人类的各种感官和心理特点，通过计算机设计出3D图像，它的立体性和逼真性，让人一戴上交互设备就如同身临其境，仿佛与虚拟世界的环境融为一体，最理想的虚拟情景是让人分辨不出环境的真假。2.创造性虚拟现实中的虚拟环境并不是真实存在的，而是人为设计创造出来的，但同时虚拟环境中的物体又是依据现实世界的物理运动定律而执行动作的。3.交互性虚拟现实中的交互是指人与机器的自认交互，人通过传感器感知虚拟世界中的一切事物，而虚拟现实系统能够根据使用者的五官感受及运动来调整图像和声音，这种调整是实时的、同步的，使用者可以根据自身的需求，自认技能和感官，对虚拟环境中的事物进行操作。4.多感知性在虚拟现实世界中通过各种传感设备，包括听觉、嗅觉、触觉、视觉、动觉等传感设备，这些设备让虚拟现实世界具备多感知性，同时也让使用者在虚拟环境中能够获得多种感知，仿佛身临其境一般。（三）虚拟现实的主要技术虚拟现实系统是多种技术的综合，主要包括三维图像实时生成技术、立体显示技术、传感器反馈技术和语音输入输出技术。1.三维图像实时生成技术现在利用计算机产生的三维图像技术已经十分成熟，但是虚拟系统要求这些三维图像能够实时生成，比如在VR游戏娱乐中，要达到实时目的，图像的刷新频率就必须达到一定的速度，同时图像要有很高的质量，还要考虑复杂的虚拟交互环境。对图像刷新率和图像质量的要求是该技术的主要指标。2.立体显示技术使用者戴上特殊的设备，两只眼睛看到的图像是分别产生的，比如一只眼睛看到的是奇数帧图像，另一只眼睛看到的是偶数帧图像，这些图像分别显示在不同的显示器上，这种不同就使得视觉上产生了差距，从而呈现出立体的效果。3.传感反馈技术使用者可以通过一系列传感设备对虚拟世界中的物体进行五感的体验，比如说在玩VR战争游戏的时候，穿上传感服装，就能够真实地感受到战争中相互殴打的触觉效果。4.语音输入输出技术语音输入输出技术就是要求虚拟环境能听懂人的语言，并能与人进行实时交互。对此必须解决两个难题：一是效率问题，二是正确性问题。（四）VR和AR的区别AR是增强现实（AugmentedReality）之意，它是将3D图像信息叠加在真实世界，提升真实世界观感的丰富程度，与其相比，VR则完全抛弃现有的真实世界，为用户重建一个虚拟的新世界。VR和AR都能提供新一代的视觉体验，让虚拟场景栩栩如生地呈现在我们面前，不过它们打造的场景沉浸方式有所不同。通过VR看到的场景和人物都是假的，通过“欺骗”人的眼睛和大脑意识，把人带入一个虚拟的世界，更多地使用数据头盔、数据手套、跟踪器、捕捉传感系统等。通过AR看到的场景和人物一部分是假的另一部分是真的，把虚拟的信息带入真实的世界中，所以基本上使用摄像头，在拍摄画面的基础上结合虚拟场景进行展示和交互。打个比方，VR更像下一代电视，是辛苦工作回家后忘却压力的调剂方式，让使用者直接逃离现实进入虚拟的世界。AR更像下一代的手机，从视觉上增强人们的日常生活体验。二国内虚拟现实技术发展概况（一）国内VR硬件发展历程1.2015年前VR在国内尚处于萌芽阶段国内首批VR相关企业虽已逐渐成立，但由于市场概念尚不普及，产品孵化也需要时间，市面上很少有能站上国际舞台的产品，这个阶段的VR产品仍以塑造概念或模仿为主。此时很多VR企业缺少资金支持，通过自己的力量支撑日常运营开销。2.2015～2016年初代产品阶段此阶段市场迎来“VR元年”，虚拟现实的概念红遍全球。随着概念的普及，资本投资蜂拥而至，各VR企业在得到资本市场支持后，第一代产品成功面世。随着公司的壮大及市场诉求的反馈，各公司开始逐步摆脱行业内同质化的竞争，力求通过产品与内容的创新赢取市场。3.2016年以后产品升级完善阶段2016年后，随着VR各领域产品的不断迭代，产品与市场逐渐走向成熟。随后在产品质量上的竞争将有望成为市场争夺的关键点，未来整个行业的兼并和收购案例相信也会频繁发生。（二）国内VR市场发展情况1.硬件逐渐从重视性能开发转为便携性开发在谷歌Cardboard等移动端VR眼睛面世之时，中国的VR手机盒子产品因为价格的低廉快速走进人民的生活当中，但智能手机性能的限制导致整体应用内容的展现效果不尽如人意。此后，为了支持更高质量的VR内容，硬件大厂逐渐转型PCVR头显开发，硬件性能得到大幅提升，并获得了许多VR开发专利，逐步缩小了国内外VR硬件开发商之间的距离。随着市场的成熟和技术的发展，便携性会成为未来市场和用户的关注焦点。2.国内VR企业运营特点①打造多平台VR显示设备经过数次的产品迭代，国内VR移动眼睛与PC头盔都已逐渐成熟，能够满足绝大部分VR应用内容的需求，2016年后“VR一体机”产品也逐渐走入市场，此类多平台覆盖策略也成功帮助VR硬件企业覆盖到了更多具有不同需求的潜在用户。②内容丰富的聚合软件除了头显开发外，国内硬件开发商还开发了多平台内容聚会软件，并依靠自己庞大的用户来抢占内容分发渠道市场。③专属开发者平台除了通过平台用户活跃度吸引优质内容之外，多数大型VR硬件开发商都为自家头显量身打造专业的开发者平台（SDK）。在专属SDK的支持下，独立开发团队能够更好地为相关VR头显开发符合其硬件特长的优质内容，以吸引更多用户。（三）国内用户规模及现状中国VR产业市场不断扩大，在2016年初中国VR的潜在用户规模已经达到2.86亿人，而在2015年中接触过或体验过虚拟现实设备的VR浅度用户约为1700万人，购买过各种VR虚拟现实设备的用户约为96万人。1.传播规模2016年VR相关报道数突破1000条，较2015年增长487%；相关微信公众号达到1109个，发布文章10万篇以上；通过谷歌、百度搜索引擎显示“VR”关键词的热度急剧攀升，较2015年同比增长709%。2.城市分布49%分布在北、上、广、深一线城市，几乎占整个行业的半壁江山。其他区域中心城市、沿海城市等的数字媒体观念更前沿，接受信息更丰富，购买力更强，VR普及率相对更高，如杭州、成都、苏州、天津、重庆等。3.评价2016年的VR浪潮得到全社会的关注，甚至被提升到战略规划层面，这也是2016年被称为“VR元年”的重要原因。如果说VR技术在国外发展的重要推动力是科技巨头，而在国内VR发展的主要推动力是资本市场，2016年大概有30亿元投在VR产业当中，但同时出现了很多同质化产品。行业发展尚在初期，地方政策环境不成熟、整个行业的消费群体不成熟、重视力度不够等制约整个行业的发展。三行业应用与案例分享（一）VR在城市规划领域的应用随着信息技术、虚拟现实技术的进步和发展，虚拟城市、三维规划在城市规划领域渐渐出现，这无疑给人们提供了一个全新的城市规划建设和管理手段。在虚拟城市、三维规划应用中，最关键的技术之一就是虚拟现实技术。城市虚拟现实系统能够弥补传统规划建设表现方式的不足。可以通过一个虚拟环境，为人们提供全方位的动态交互内容。城市虚拟现实系统动态交互内容如下：人们可以从任意距离、角度来观察建筑各个方面的细节；人们可以选择多种运动模式，如行走在街道上，飞翔在天空中等；人们可以自由地控制和制定浏览线路；可以实现多种环境效果和功能区的自由切换。（二）VR在医疗健康领域的应用1.医学练习虚拟现实手术是基于医学影响数据，在计算机中用VR技术建立虚拟环境，医生借助虚拟设备如头盔等在虚拟环境中进行手术计划和练习，给医生带来沉浸式的手术体验，让医生仿佛置身一场真实的手术，目的是为医生的实际手术操作打下良好的基础。好处是节约培训费用和培训时间，降低手术风险，提高医学教育效率和质量，改善医学手术水平发展不平衡的现状。优势是具有仿真性、开放性、超前性和可操作性。2.医疗培训和教育通过虚拟技术对人体功能进行仿真，让医疗人员真实了解人体结构和功能，通过医学教学和培训提高效率和效果，继而降低教学成本。3.康复训练通过特制的人机接口让残疾人士在虚拟场景中实现生活自理，产生一种身临其境的感受，改善患者的治疗情绪，帮助他们提升生活乐趣和品质。4.医疗戒毒2017年浙江省戒毒管理局透露通过虚拟现实毒瘾评估矫治系统帮助戒毒人员戒除毒瘾科学、高效、准确，是国内首个针对甲基苯丙胺（冰毒）的评估和治疗系统。虚拟现实毒瘾评估矫治系统主要通过虚拟现实技术以及心电技术进行治疗，内容分为记忆提取、厌恶治疗、回归治疗三部分。5.VR在旅游行业的应用虚拟旅游就是通过虚拟现实技术，构建一个基于现实旅游景观的虚拟旅游场景，用户只要通过虚拟现实设备就能在虚拟场景中观赏各处美景。同时通过虚拟现实技术和网络技术，可以将古代文物及建筑物按照1∶1比例还原，帮助人们远程欣赏那些具有研究价值的古文物和建筑物，甚至可以复原已经消失的古文物和古代城堡。（三）VR在科研教学领域的应用1.帮助开设远程虚拟教学实验课程通过虚拟现实技术和网络技术弥补远程教学的不足。2.避免真实实验可能带来的风险传统危险实验的操作方法往往是通过视频方式来演示，学生无法直接进行操作。虚拟现实技术能够帮助学校打消这种顾虑，为学生提供虚拟学习环境，避免实验可能带来的危险，让学生放心去做各种实验，提高学生的学习兴趣和积极性。3.虚拟教学课件课堂上的教学内容和教学方式都应该与时俱进，将虚拟现实技术融入教学课件，让枯燥无味的课堂有更多的娱乐性、生动性，也更能激发学生的学习热情和兴趣。可以应用到以下多个课程领域中，如生物、医学、物理、建筑工程、地理、水利等。4.技能训练虚拟现实技术十分适用于对学生的技能训练，如军事作战技能训练、汽车驾驶维修技能训练、外科手术技能训练、电器维修技能训练、果树栽培技能训练等。5.实验室如虚拟物理实验室、虚拟地理实验室、虚拟生物实验室、虚拟化学实验室、虚拟科研实验室等。（四）VR在应急推演领域的应用虚拟现实应急演练系统是一个高端的仿真软硬件平台，主要通过虚拟现实技术建立逼真的虚拟场景，运用开放式的演习方式，供各级决策与指挥人员、事故处置人员到达指定位置。种类大概有地震应急演练仿真系统、火灾应急演练仿真系统、煤矿应急演练仿真系统、消防应急演练仿真系统等。（五）VR在工业生产领域的应用随着社会的发展，产品不断升级更新，产品结构也变得越来越复杂，单纯使用二维工程图或静态的三维图已经无法将产品设计师的思想全部表达出来，因此虚拟现实技术开始被广泛应用在工业生产上，用交互的方式将虚拟产品和人们关联起来，大大丰富了信息的内容和传递方式。工业仿真系统不是传统意义上简单的场景漫游，而是一种能够结合用户的业务层功能，组建一套完整的系统，用于指导工业生产的仿真系统。简单说，工业仿真就是将物理工业中各个模块的数据整合到一个虚拟体系中，在该虚拟体系中将工业中的每个流程都表现出来，再通过交互模式与该虚拟体系的各个环节展开互动。汽车仿真是通过虚拟现实技术和计算机辅助技术，将轿车开发的各个环节都置于计算机所构造的虚拟环境中的综合技术。可分为以下5个部分。虚拟设计：通过虚拟现实技术、网络技术和产品数据管理技术，可以快捷地建立产品模式。协同设计：通过不同部门设计师的不同设计成果，快速整合，创造出汽车三维模型。虚拟装配：通过虚拟装配系统，设计人员可以全方位地检查零部件的状态。虚拟培训：可以帮助员工熟悉汽车生产装配流程，避免在汽车制造过程中出现错误，减少企业的经济损失。虚拟实验：通过虚拟仿真实验，可以预测汽车的各项性能。在虚拟实验时，不仅可以模拟真实环境，还可以进行虚拟人机工程学实验、虚拟风洞实验、虚拟碰撞实验等。三VR行业发展趋势虚拟现实技术是近年来十分活跃的研究和应用技术，同时被列入中国“十三五”规划重要组成部分。中国产业调研网发布的2016年中国虚拟现实市场调研与发展前景的分析报告显示，目前虚拟现实行业正在跨越萌芽期，行业发展空间广阔，伴随市场的逐渐成熟，预计2020年市场容量将达到800亿美元，未来十年有望开启万亿级市场。伴随着技术的不断完善，设备性能越来越高，价格越来越亲民，内容产业越来越丰富，VR产业必将迎来新的爆发式增长。VR设备大面积普及，同时将成为家用消费的终极形态，并成为家庭娱乐的核心产品，成为第三代的计算机平台已经指日可待。四案例展示：VR教育应用项目名称：三通两平台：VR+K12教育应用实施机构：天津智空科技有限公司“三通”指的是：网络校校通，即所有学校接入宽带，完善学校的基础信息化硬件和网络设施；资源班班通，即实现班级授课资源的上传、下载，重点建设网络课堂；空间人人通，即每个学生共享教育资源和拥有可互动的个人网络学习空间。“两平台”指的是：教育资源服务平台，即为实现各类教育资源共享的平台，主要承载班班通、人人通相关资源的共享和分发等功能；教育管理服务平台，即各类教育系统的内部管理系统，提高教育系统内部信息化办公水平，加强内部管理信息化建设。（一）“VR+教育”的现状和需求1.现状VR智慧教室的服务对象包括各级领导、教师、学生、家长。目前，主要存在以下问题。（1）资源未成体系，海量资源共享难。资源从量上看可谓丰富，但未统一规划和整理，未能把教学资源进行有效的共享和管理。（2）学生的学习积极性不高。学生上课学习还是以老师授课为主，学生被动学习为辅，学生学习积极性和主动性不高。同时对于知识难点或抽象知识点，学生很难理解，只能死记硬背，无法有效地进行长期记忆和理解。（3）教学过程互动性不强。目前大部分仍然采用传统课堂中一对多的教学模式，难以让全班学生及时参与其中。其互动形式，也难以在纸质课本基础上有所突破。（4）老师无法实时掌握学生状态。学生上课期间，老师很难掌握每个学生的学习状态，不能对学生进行有针对性的辅导和管理，只能靠学生成绩来判断学生“好”或“坏”，容易“一刀切”，忽略学生的特长。2.需求分析（1）教育主管部门依据全面的教育统计分析数据，更加科学地确定教育经费投入及分配政策；科学评估教育所产生的社会经济效益；帮助整合积累教学资源、推广教学经验；更加直观地查看各区数字教学资源建设、应用与共享状况。（2）学校支持学校进行STEAM教育；快速掌握全校的教学情况、相关统计数据；提高学生成绩，提高教学成绩；及时获取家长、公众对学校办学的反馈信息。（3）教师将名师资源引入课堂教学；实时了解班级学生的出勤状况；及时与家长、同事、校领导沟通交流；更加高效、便捷地进行网络备课；快速获取、加工和集成教学资源，支持课堂教学；灵活控制学习终端，实时向学生推送相关学习资源；登录个人教学空间，动态获取系统推送的优质教学资源；上传优质教学课件，分享优质教学内容。（4）学生及时与教师、同学沟通交流，解决学习、生活中遇到的难题；利用各种媒体终端进行随时随地的学习、交流和分享；登录个人学习空间，动态获取系统推送的个性化、优质学习资源；学生可以在家戴上VR眼镜，和全国正在学习的学生互动，提高学习积极性和社交能力。（二）VR智慧教室解决方案1.天津智空科技产品特点（1）学生学习沉浸性。学生借助VR设备，如身临其境般，以生动、形象、有趣的形式提高学生学习的积极性和主动性，并增强学生对知识点的记忆持久性。（2）师生自然交互性。学生在虚拟的世界里，通过VR交互设备对物体进行操作，或者进行相关实验。老师可以通过控制终端，实时监控每个学生目前的学习状态，并对每个学生进行实时辅导。（3）课件录制科技性。老师可以对自己的课件和上课的实时状态进行录制，并上传到云空间，学生可以在回家后对课程进行温习，并就知识疑难点进行实时在线咨询。甚至，老师的课件可以面向全国各地，打破一、二、三线城市教育资源不平衡的现实瓶颈，间接实现老师资源共享。（4）学生学习积极性。学生可以通过VR设备身临其境地在虚拟的学习教室里面学习相关课程，甚至可以和全国各地同时在线的同学进行线上交流，讨论学习疑难点，提高学习积极性，避免了白天在学校上课，放学后在培训机构二次上课的苦恼和被动。（5）脑机结合先进性。通过自主研发的脑电波设备，可以实时了解学生学习期间的状态，对学生进行有针对性的学习辅导，提升学校的管理水平，并通过人工智能对每个学生进行关注、培养、辅导等。（6）VR资源丰富性。根据小、初、高的教学大纲，按照课程、章节开发，并把相关知识点通过视觉、听觉、触觉