VR虚拟现实

虚拟现实技术原理

VR现在正当火热之时，满大街我们都可以见到这个词，更别说在网络上早已铺天

盖地。不过虽然经常听到，但很多人还没弄明白是怎么一回事，在这里洁灵牙膏为你

解答VR的一切。

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成

一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿

真使用户沉浸到该环境中。

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。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备

等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想

的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听

觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能

是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的

动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感

设备是指三维交互设备。

发展历史

虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段：有声形动态的模拟是蕴涵虚拟现

实思想的第一阶段（1963年以前）；虚拟现实萌芽为第二阶段（1963-1972）；虚拟

现实概念的产生和理论初步形成为第三阶段（1973-1989）；虚拟现实理论进一步的

完善和应用为第四阶段（1990-2004）。

特征

虚拟现实多感知性

指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还

包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。

虚拟现实存在感

指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户

难辨真假的程度。

虚拟现实交互性

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。

虚拟现实自主性

指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。

虚拟现实关键技术

虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显

示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、

语音输入输出技术等。下面对这些技术分别加以说明。

实时三维计算机图形

相比较而言，利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模

型，又有足够的时间，我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像，但是这

里的关键是实时。例如在飞行模拟系统中，图像的刷新相当重要，同时对图像质量的

要求也很高，再加上非常复杂的虚拟环境，问题就变得相当困难。

虚拟现实显示

人看周围的世界时，由于两只眼睛的位置不同，得到的图像略有不同，这些图像在脑

子里融合起来，就形成了一个关于周围世界的整体景象，这个景象中包括了距离远近

的信息。当然，距离信息也可以通过其他方法获得，例如眼睛焦距的远近、物体大小

的比较等。

在VR系统中，双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产

生的，显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，

一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不

同也就是视差就产生了立体感。

用户（头、眼）的跟踪：在人造环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置

与姿态，而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头（眼）的方向来确定

的。

跟踪头部运动的虚拟现实头套：在传统的计算机图形技术中，视场的改变是通过鼠标

或键盘来实现的，用户的视觉系统和运动感知系统是分离的，而利用头部跟踪来改变

图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来，感觉更逼真。另

一个优点是，用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动

去观察环境。

虚拟现实声音

人能够很好地判定声源的方向。在水平方向上，我们靠声音的相位差及强度的差别来

确定声音的方向，因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果

就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的，所以会有一种方向感。现实

生活里，当头部转动时，听到的声音的方向就会改变。但目前在VR系统中，声音的方

向与用户头部的运动无关。

虚拟现实感觉反馈

在一个VR系统中，用户可以看到一个虚拟的杯子。你可以设法去抓住它，但是你的手

没有真正接触杯子的感觉，并有可能穿过虚拟杯子的“表面”，而这在现实生活中是

不可能的。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触

觉。

虚拟现实语音

在VR系统中，语音的输入输出也很重要。这就要求虚拟环境能听懂人的语言，并能与

人实时交互。而让计算机识别人的语音是相当困难的，因为语音信号和自然语言信号

有其“多边性”和复杂性。例如，连续语音中词与词之间没有明显的停顿，同一词、

同一字的发音受前后词、字的影响，不仅不同人说同一词会有所不同，就是同一人发

音也会受到心理、生理和环境的影响而有所不同。

使用人的自然语言作为计算机输入目前有两个问题，首先是效率问题，为便于计算机

理解，输入的语音可能会相当啰嗦。其次是正确性问题，计算机理解语音的方法是对

比匹配，而没有人的智能。

虚拟现实技术特点

VR艺术是伴随着“虚拟现实时代”的来临应运而生的一种新兴而独立的艺术门类，在

《虚拟现实艺术：形而上的终极再创造》一文中，关于VR艺术有如下的定义：“以

虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等人工智能技术作为媒介手段加以运用的艺术形式，

我们称之为虚拟现实艺术，简称VR艺术。该艺术形式的主要特点是超文本性和交互

性。”

“作为现代科技前沿的综合体现，VR艺术是通过人机界面对复杂数据进行可视化操作

与交互的一种新的艺术语言形式，它吸引艺术家的重要之处，在于艺术思维与科技工

具的密切交融和二者深层渗透所产生的全新的认知体验。与传统视窗操作下的新媒体

艺术相比，交互性和扩展的人机对话，是VR艺术呈现其独特优势的关键所在。从整体

意义上说，VR艺术是以新型人机对话为基础的交互性的艺术形式，其最大优势在于建

构作品与参与者的对话，通过对话揭示意义生成的过程。

艺术家通过对VR、AR等技术的应用，可以采用更为自然的人机交互手段控制作品的形

式，塑造出更具沉浸感的艺术环境和现实情况下不能实现的梦想，并赋予创造的过程

以新的含义。如具有VR性质的交互装置系统可以设置观众穿越多重感官的交互通道以

及穿越装置的过程，艺术家可以借助软件和硬件的顺畅配合来促进参与者与作品之间

的沟通与反馈，创造良好的参与性和可操控性；也可以通过视频界面进行动作捕捉，

储存访问者的行为片段，以保持参与者的意识增强性为基础，同步放映增强效果和重

新塑造、处理过的影像；通过增强现实、混合现实等形式，将数字世界和真实世界结

合在一起，观众可以通过自身动作控制投影的文本，如数据手套可以提供力的反馈，

可移动的场景、360度旋转的球体空间不仅增强了作品的沉浸感，而且可以使观众进入

作品的内部，操纵它、观察它的过程，甚至赋予观众参与再创造的机会。”