知识储备

任务1.1 基本概念

下面首先介绍虚拟现实技术的诞生、发展历史以及它在当今军事、医学、艺术、教育等诸多领域的应用场景。随后，将对虚拟现实技术、增强现实技术和混合现实技术的基本概念进行介绍。

1.1.1 虚拟现实的前世今生

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真等技术，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对VR技术的需求日益旺盛。VR技术也取得了巨大进步，并逐步成为一个新的科学技术领域。

1956年，由摄影师Morton Heilig发明的“Sensorama”可以说是最早的VR机器，如图1-4a所示。它集成了3D显示器、气味发生器、立体声音箱及振动座椅，同时内置了6部短片供人欣赏。然而，巨大的体积使它无法成为商用娱乐设施。1961年，飞歌公司研发了一款头戴式显示器Headsight，如图1-4b所示。它集成了头部追踪和监视功能，但其主要被用于隐秘信息查看而非娱乐展示和提升人机交互体验。1966年问世的GAF ViewMaster是如今简易VR眼镜的原型，如图1-5a所示。它通过内置镜片来达到3D视觉效果，但其并未搭载任何电子虚拟成像器件或音频设备。于1968年问世的Sword of Damocles（著名的达摩克利斯之剑）通常被认为是虚拟现实设备的真正开端，如图1-5b所示。它由麻省理工学院研发，为后来VR甚至是AR设备的发展，提供了最初的原型与参考。

1984年，第一款商用VR设备RB2在VPL诞生，该公司由VR之父Jaron Lanier创办。RB2配备了体感追踪手套等位置传感器，其设计理念已与现代的主流产品相差无几。1985年，NASA（美国国家航空航天局）研发了一款LCD光学头戴显示器，它同时配备了轻量化的头、手部追踪系统，配合相关图形图像处理技术，能够在小型化、轻量化的前提下提供沉浸式的体验，其设计与结构后来也被广泛推广与采用。随后，在游戏、娱乐领域的几家著名的公司也开始尝试采用虚拟现实技术研发其产品。

1989年，VPL Research成为第一家成功商业化销售VR头戴显示设备和手套的公司。接下来的十几年，VR经历了一次商业化浪潮，索尼、任天堂等游戏公司都陆续推出了自己的VR游戏机；电影方面也有多部电影在VR领域有所尝试。但由于产业链不完备，技术不成熟，这些产品并未得到消费者的认可。这一波商业化浪潮在消费市场并不成功，但VR/AR在军事等领域的应用却取得了进展。

真正将商用虚拟现实技术带向复兴的产品是2009年问世的Oculus Rift，如图1-6所示。2012年该项目登陆Kickstarter[1]并筹集到近250万美元的研发资金，首轮融资最终达到1600万美元。2013年，Oculus Rift推出了一款面向开发者的早期设备，其价格仅为300美元。这代表着商用VR设备真正步入了消费电子市场。

2014至2016年，图像处理技术的提升推动VR/AR进入市场培育期。2014年，Facebook以20亿美元收购Oculus，VR/AR开始进入消费市场。VR/AR产业化在全球范围内快速铺开，VR/AR迎来发展元年。这次的VR/AR浪潮和20世纪90年代最大的不同是，技术问题得到初步解决，VR/AR技术和核心部件能初步满足消费应用需求。

2016年是VR商用、民用设备以及内容生态极具里程碑意义的一年。这一年Oculus正式发售了Oculus Rift头戴式VR设备，同时登台的还有HTC Vive和三星的Gear VR。在元器件支持上，Intel和高通开始从芯片层面支持VR。从开发引擎与平台上，Unity、Blender、CryEngine、Source等游戏引擎开始全面支持VR。在内容制作上，这一年无数创业公司在各个实用领域推出了自己的VR应用产品，大力布局各自内容生态。特别是在游戏娱乐领域，EA、UBISOFT、网易、腾讯、网龙等大型游戏公司均发布了各自的代表作品。从这一年开始，越来越多的投资者看好VR内容（影视、游戏等）市场，大量投资蜂拥而至。在这样的背景下，新兴游戏公司、VR工作室也陆续推出了一些高质量的VR作品，如《永恒战士VR》、《Aeon》等。

2017年至2019年，随着多种类的产品应用的出现，VR进入了快速发展期，行业对相同标准的、相互兼容的应用和配件的需求出现快速增长。VR消费级市场认知加深，VR企业级市场也开始逐步启动发展。继Oculus被收购后，全球科技巨头纷纷聚焦VR/AR。微软、谷歌、苹果等跨国巨头都收购了VR/AR相关企业，索尼开启Morpheus计划、谷歌推出Card board（如图1-7所示）、三星与Oculus合作推出Gear VR（如图1-8所示）、HTC与Valve合作研发针对Steam游戏平台的HTC Vive（如图1-9所示）。由此可以预见，未来几年，VR/AR产业化进程将持续加快，开始出现对统一标准且相互兼容的应用、内容、配件的需求，VR/AR内容开始配套，消费级应用和企业级应用均逐渐完善，VR/AR不再是孤立式发展，将迎来产业和市场的快速发展期。

目前，VR/AR硬件解决方案趋合，系统平台开源化，行业深度应用，消费级应用仍以游戏为主，企业级应用包括军事、教育、工程、房地产、零售等均将全面铺开，整个VR/AR产业将进入相对成熟期。

1.1.2 虚拟现实的重要意义

丰富的感觉能力与3D显示环境使得虚拟现实成为理想的视频游戏工具，这让它在娱乐领域展现出巨大的价值。但是，虚拟现实技术在三维表现与感官模拟上的优势，让其能够在更多领域有所发展，包括军事航天领域、医学领域、艺术领域、教育领域、文物古迹领域和生产领域等，通过建立模型与实践模拟实现不依赖于实体和物料消耗的演练与仿真体验，实现低成本、高效率的作业模式。

1.军事航天领域

军事领域的研究一直是推动虚拟现实技术发展的原动力，且军事领域目前依然是VR的主要应用领域。如模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为VR提供了广阔的应用前景。美国国防部高级研究计划局（DARPA）自20世纪80年代起一直致力于研究被称为SIMNET的虚拟战场系统。以提供坦克协同训练，该系统可联结200多台模拟器；美国空军技术研究所（Air Force Institute of Technology）也在利用VR开发培养实际空军操作人员的环境；NASA目前已建立了航空、卫星维护VR训练系统，以及空间站VR训练系统，并建立了能够供全美航空航天领域使用的VR教育系统，通过模拟实际环境培养、训练宇航员，如图1-10所示。

2.医学领域

虚拟现实技术可以弥补传统医学的不足，主要应用在解剖学、病理学教学、外科手术训练等方面。在教学中，VR技术可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，学生可以很容易了解人体各器官结构，这比现有的采用教科书教学的方式更加有效，如图1-11所示。在医学院校，学生可在虚拟实验室中进行“尸体”解剖和各种手术练习。同样，外科医生在真正动手术之前，可以通过虚拟现实技术的帮助，在显示器上重复地模拟手术，完成对复杂外科手术的设计，寻找最佳手术方案，这样的练习和预演，能够将手术对病人造成的损伤降至最低。

3.艺术领域

虚拟现实技术作为传输显示信息的媒体，在艺术领域有着巨大的应用潜力。例如，VR技术能够将静态的艺术（如绘画、雕塑等）转化为动态的，如图1-12所示。可以提高用户与艺术品的交互，并提供全新的体验和学习方式。

4.教育领域

虚拟现实技术的应用是教育技术发展的一个飞跃。虚拟学习环境、虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境。亲身去经历的“自主学习”环境比传统的说教学习方式更具说服力，如图1-13所示。虚拟实验利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，如物理、化学、生物实验室等。利用VR能够极有效地降低实验室成本投入，并让学生获得与真实实验一样的体会，得到同样的教学效果。

5.文物古迹领域

利用虚拟现实技术，可以为文物古迹的展示和保护带来更大的发展。将文物古迹通过影像建模，更加全面、生动地展示文物，给用户提供更直观的浏览体验，使文物实现实时资源共享，而不需要受地域的限制，并能有效保护文物古迹不被游客的游览所影响，如图1-14所示。同时，使用三维模型能提高文物修复的精度、缩短修复工期。

6.生产领域

利用虚拟现实技术建成的汽车虚拟开发工程，可以在汽车开发的整个过程中，全面采用计算机辅助技术来缩短设计周期。例如，福特官方公布过一项汽车研发技术——3D CAVE虚拟技术。设计师戴上3D眼镜坐在“车里”，就能模拟“操控汽车”的状态，并在模拟的车流、行人、街道中感受操控行为（如图1-15所示），从而在车辆未被生产出来之前，及时、高效地分析车型设计，了解实际驾驶情况中的驾驶员视野、中控台设计、按键位置、后视镜调节等，并进行改进，这套系统能够有效控制汽车开发成本。

7.娱乐领域

丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对VR的真实感要求不是太高，故近些年来VR在该方面发展最为迅猛。如美国芝加哥开放了世界上第一台可供多人使用的大型VR娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；近几年推出的Oculus Rift是一款为电子游戏设计的头戴式显示器，通过虚拟现实为用户提供更好的体验，并推出了开发者版本，如今已有许多游戏都支持该设备，如图1-16所示。

1.1.3 VR、AR与MR的概念辨析

简单地说，VR看到的图像全是计算机模拟出来的，都是虚假的，AR则是将虚拟信息加在真实环境中，来增强真实环境，因此看到的图像是半真半假的，MR（混合现实技术）是将真实世界和虚拟世界混合在一起，它呈现的图像令人真假难辨。MR比较像是VR和AR的组合，可以在现实的场景中显示立体感十足的虚拟图像，且还能通过双手和虚拟图像进行交互。从简单的感官层面来理解，VR是全“假”，AR是半真半假，MR则是真假难辨。

1.VR

VR也被称为虚拟现实技术，是一种利用计算机技术模拟产生一个为用户提供视觉、听觉、触觉等感官模拟的三维空间虚拟世界，用户借助特殊的输入、输出设备，与虚拟世界进行自然交互的技术。用户进行位置移动时，计算机可以通过运算，将精确的三维世界视频传回产生临场感，令用户及时、无限制地观察该空间内的事物，如身临其境一般。VR的硬件代表是Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR、三星Gear VR等，软件代表是《极乐王国》，它是全球首个VR社交游戏平台。

2.AR

AR也被称为增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术，是一种实时计算摄影机影像位置及角度，并辅以相应图像的技术。这种技术可以通过全息投影，在头戴设备镜片的显示屏幕中将虚拟世界与现实世界叠加，操作者可以通过设备与投影互动。AR的硬件代表作是大名鼎鼎的Google Glass，软件代表作是《精灵宝可梦Go》，这款游戏曾经风靡全球。

3.MR

MR也被称为混合现实（Mix Reality，简称MR）技术，是一种结合真实和虚拟世界创造的新环境和可视化三维世界的技术，物理实体和数字对象共存并实时相互作用，以用来模拟真实物体，是虚拟现实技术的进一步发展。MR的硬件代表作是Hololens和Magic Leap，游戏代表作是《超次元MR》。