虚拟现实VR一般是指一种技术，它模拟现实和虚拟世界，使人类沉浸在一个三维空间中，产生立体的视觉、听觉、触觉甚至嗅觉，在一定范围内与现实世界非常相似。它有三个特点(3R):实时渲染、真实空间和真实交互。
巨大的数字化浪潮将数字革命从我们的现实世界活动引入了虚拟世界。除了交流、购物、学习、制作、游戏、交友，人们发微信、玩网络游戏、看3D电影，在虚拟世界中度过的时间正逐渐超过在现实世界中度过的时间。
VR技术依靠其沉浸感，将人类推向了高层次的虚拟环境。HMD (Head Mounted Display)，结合追踪系统，使沉浸感易于实现，极大地推动了虚拟现实的发展，其应用令人眼花缭乱。随着发展，AR和MR已经成为虚拟现实的新宠。
1、VR
关于VR有不同的定义：虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机模拟系统。它利用计算机生成一个仿真环境，这是一个多源信息融合、交互式三维动态场景和实体行为系统模拟，使用户沉浸在这个环境中。
虚拟现实VR一般是指一种技术，它模拟现实和虚拟世界，使人类沉浸在一个三维空间中，产生立体的视觉、听觉、触觉甚至嗅觉，在一定范围内与现实世界非常相似。它有三个特点(3R)，即实时渲染、真实空间和真实交互。
几十年来，VR在游戏、电影、专业学习培训、旅游、制造、军事等各个方面极大地影响了人类。近年来，随着HMD的普及和远程通信技术的发展，距离不再是问题，将虚拟现实融入现实环境得到了人们的青睐，从而诞生了增强现实(AR)。更进一步，随着技术的发展，现实环境和虚拟环境可以更好的融合，人类可以灵活的在虚拟和现实环境之间游走，从而混合现实(MR)有了很大的发展，以至于微软宣称其Hololen系统只专注于混合现实。
2、AR
什么是增强现实(AR)？百度百科和维基百科上说：增强现实技术是一种实时计算摄像头图像的位置和角度，并添加相应的图像、文章和3D模型的技术。这项技术的目标是将现实世界中的虚拟世界放到屏幕上，并进行互动。
增强现实(AR)技术以生动的直接或间接的视点与物理真实环境进行交互，其组件得到了“增强”。增强的效果基于计算机生成的或真实世界的感官输入，例如声音、文章、图形或GPS数据。
显然，VR本身是基于个人电脑的诞生，而增强现实与参与者的真实环境有关，所以可以说是面向移动计算的。
3、MR
混合现实MR有时也被称为混合现实，它将现实世界和虚拟世界结合在一起，创建一个新的环境，使其可视化，物理和数字对象实时共存和交互。混合现实不仅发生在现实世界或虚拟世界中，还融合了现实和虚拟现实，包括借助沉浸技术的增强现实和增强虚拟。
图1从现实到虚拟和从虚拟到现实
如图1所示，水平两端分别是真实(环境)和虚拟(环境)。从左到右，稍微修改现实世界的状态称为增强现实。放大现实就是通过计算的手段丰富物理对象的属性。AR讲的是如何让用户感受到真实，而放大现实就是影响用户感受到真实。
这里有一个新的中间状态——中介现实(姑且称之为“间接现实”)。还有增强虚拟AV (Augmented Virtuality)，指的是从虚拟世界看到现实世界。因为这两个不常用，这里就不赘述了。
我们关注的是其中的三个：VR、AR和MR，我们广义上把VR、AR和MR称为虚拟现实(VR)。我们把它们统称为VR吧。
虚拟现实的历史和起源：虚拟现实这个词是由美国计算机科学家杰伦拉尼尔在20世纪80年代末提出的。然而，回想起来，虚拟现实的历史要长得多。我们列一个清单，如表1所示。
表1虚拟现实的历史
在21世纪，计算设施和智能手机变得越来越强大，高清显示和3D图像的能力急剧增加，VR发展迅速。各种头盔的问世(如谷歌Cardboard、三星Galaxy Gear、Oculus Rift、HTC Vive)极大地推动了VR的发展。
云计算催生了基于云的VR应用，AR、MR成为主流。一些IT巨头，尤其是软件巨头，如谷歌、苹果、微软，开始大力竞争布局AR、MR，打造自己的VR生态。
以微软为例。2015年1月，微软发布并展示了微软HoloLens混合现实设备的功能。它可以将全息物体无缝融入用户的世界，有时很难区分你是在现实世界还是虚拟世界。微软正在大布局，就像苹果开发智能手机iPhone一样，开放接口，让基于HoloLens平台的新应用不断被独立开发者开发出来，分享这块馅饼。
一些关键的技术支持
虚拟现实涉及很多技术。由于篇幅的限制，这里我们重点介绍其中的一些。首先讨论了虚拟现实建模的方法和技术，因为建模是虚拟现实的关键核心之一。
虚拟现实建模
虚拟现实建模就是3D物体建模，这些物体会在现实世界和虚拟世界中相互作用。建模是虚拟现实的基础之一，它包括一系列的方法。
1、场景呈现建模方法
虚拟现实系统首先需要一个场景及其显示，需要建立一个虚实融合的场景，并有效地显示出来。相关的建模问题包括：
1)基于深度区域图像的建模：
(1)区域图像采集和登录；
(2)三维模型表面重建；
(3)三维模型修复。
2)基于图像的建模方法：
(1)基于单幅图像的几何模型重建；
(2)利用立体视觉和结构照明重建几何模型；
(3)利用先验知识重建景观；
(4)基于轮廓线的几何模型重建。
3)材质光照建模方法：
(1)体光照建模方法；
(2)主动蚀变模式；
(3)变密度传播模型；
(4)材料分类混合模型。
4)现场建模方法：
(1)向量场；
(2)标量场。
2、行为建模方法
虚拟现实环境中运动物体(如人和汽车)的建模，尤其是它们的行为建模，也是VR的关键。其中，常用的方法有：
(1)主要自治对象类型的方法；
(2)基于有限状态自动机的建模方法；
(3)面向建模方法的专家系统；
(4)基于智能代理的建模方法；
(5)聚集与分解模型。
虚拟和真实建模
AR和MR需要虚实结合的场景，虚实结合的建模是一个很大的挑战。所涉及的建模问题包括：
(1)虚实合成场景中真实环境信息的获取和表示；
(2)虚实间的三维登录和存储方法；
(3)处理虚拟与现实之间灾难的方法；
(4)虚实结合的方法。
4、基于物理学的建模方法
1)刚体建模方法：
(1)刚体运动的模拟；
(2)碰撞检测；
(3)连通性和限制性建模。
2)灵活的对象建模方法：
(1)离散粒子建模；
(2)连续性建模方法；
(3)柔性物体的碰撞检测。
3)虚拟人运动建模方法：
(1)运动数据的采集。
(2)运动数据的处理。
(3)运动控制
计算机图形学和计算机动画
视觉是人们感知世界的第一感觉，所以虚拟现实涉及的一个关键技术就是计算机图形学和计算机动画技术。
这里涉及的技术包括数学问题、3D建模和图像渲染。数学是指坐标系、向量、变换矩阵，用来表示可视化、三维物体动画、特征描述等。三维建模就是借助几何描述，为实际物体构造一个特定的三维图像。渲染通过光照模型、光照、颜色和纹理来推导三维模型。
虚拟世界大多是动态的，随时间变化，物体在其中运动、旋转、变化，因此需要计算机动画技术。计算机动画的主要目标是合成想要的运动效果。
虚拟现实系统体系结构
虚拟现实系统的架构也是一个技术难点。
目前，大多数常用的架构部署在本地，并逐渐基于云计算发展。
模拟驾驶的虚拟现实系统如图2所示。
图2模拟驾驶系统
本文讨论了基于微软HoloLens的MR系统开发，给出了开发一个混合现实系统所需的软硬件要求：一台PC，参数要求为：Windows 1064 bit (Windows、MAC OS或Linux)；30GB的可用硬盘空间；RAM 6gb；CPU处理能力。推荐英特尔酷睿i5或酷睿i7处理器(或相近性能)；GPU(图形处理单元)或显卡。
如果使用HoloLens模拟器，建议最低系统要求是：操作系统64位Windows 10 Pro/企业/教育版；至少4核CPU8gb RAM；BIOS必须支持并能够基于硬件进行虚拟化；二级地址转换技术(SLAT)和基于硬件的数据执行保护(DEP)；GPU采用DirectX 11.0及以上，驱动采用WDDM 1.2或以上。其他的有特殊的硬件要求：HoloLens，仿真器或者其他类似的硬件。建模可以用一些3D建模软件，比如Unity的Unity Technologies。
感知技术
1、视觉
电脑显示技术经历了CRT和LC D D时代，期间流行等离子显示，但目前基本是LC D主流。
目前，虚拟现实主要有三种显示方式：HMD头盔、投影和桌面显示，HMD是最流行的一种。
大多数HMD都有一个或两个带镜头的小显示器，显示单元可以使用CRT、LCD、LCos或有机发光二极管技术。该显示器具有封装在一起的透镜和半透明反射器。许多HMD都配备了耳机(或扬声器)，以便文章和音频可以一起输出。有些HMD是一个复杂的传感和计算系统。以微软的HoloLens为例：它有三个处理器——CPU、GPU和HPU(全息处理单元)；惯性测量单元(IMU)-加速度传感器、陀螺仪和磁力计；照相机1115可见波长照相机和远红外照相机；远红外激光投影仪：麦克风。等等。
为了发挥他们的潜力，HMD和追踪者共同合作，检测角度、方向甚至位置的变化，从而控制计算机中的VR应用，并根据具体的做法渲染成虚拟场景。
在医疗手术的应用中，也使用X射线文章，它与传统文章相结合。传统的HMD可以提供大部分的沉浸感，但仍然存在一些缺点，如显示粒度和视角。
2、听证会
声音是我们日常生活体验的一部分，从中我们获得了很多信息。声音来自不同的空间位置，我们在生活中感知到的就是空间声音。如何在虚拟环境中构造空间声音是一个重要的挑战。
声音在虚拟显示系统中扮演不同的角色，例如：
1)补充信息：声音可以提供比只有视觉补充更丰富的信息。一点点的回声和回音，可以使人的大脑对关注对象的方位和距离，以及环境的大小和背景有新的认识。
2)替代反馈：声反馈可以改善用户界面(例如，可以通过语音指示用户命令的确认或所选择的对象)。
3)交互方式另类：声音是一种有效的沟通渠道。语音识别和语音合成可以有效提高VR效果。
涉及的问题有：空间声音的录制和再现，空间声音合成等。空间声音合成包括处理声音信号以生成逼真的声音，描述真实的声音场景：声源的位置和方向，室内还是室外，等等。还有声音渲染等问题。声音渲染主要用于为动画生成同步通道，并为场景中的每个对象创建具有特征音色的空间声音。声源可以通过采样或合成来实现。
VR中的音响系统需要满足以下要求：
1) 3D定位：准确定位虚拟声源。
2)声音模拟：声音空间模拟是再现真实环境的基本元素，要体现房间的大小和墙壁的特点。
3)速度和效率：空间声音物理属性的精确模拟和声音的实时有效生成之间往往存在矛盾，因此一般需要一个折中方案。同时，需要一定数量的虚拟声源来实现虚拟环境。大多数重要的声音现象都可以用计算机引擎来模拟。一个值得注意的挑战是，如何将声源映射到任意虚拟位置的一定数量的扬声器上，其实际位置受到安装VR系统时物理设置的限制。
3、触觉
目前大部分VR应用提供视觉和听觉反馈，很少涉及力反馈。然而，许多VR应用迫切需要涉及触觉和肌肉运动感知，赋予人们“触摸”虚拟物体的能力。触觉是人类的重要感觉，包括皮肤接触和肌肉运动触觉。典型的触觉传感设备和技术如下：
1)数据手套手是人体触觉的一个主要输入通道，是通过触觉感知和操纵外界环境的主要界面。因此，大量手套形式的VR设备被设计和开发。这些手套中集成了大量传感器，用于获取手指弯曲等身体数据。内置的磁性或惯性运动跟踪器用于获取全方位的手套位置和旋转数据。有些还具有反应激励设施，用于反映用户在虚拟现实应用中的反应。例如，手指关节中内置一个充气气囊。当用户触摸虚拟物体时，气囊会在弯曲手指或握紧拳头的时候适时充气。用户感知气囊的压力，虚拟环境逼真地模拟握持虚拟物体的感觉。市场上有丰富的数据手套产品，如CyberGlove，SDT数据手套。他们有丰富的传感功能，蓝牙接口和SDI开发。
2)触觉演绎与渲染触觉演绎与渲染是指通过用户与虚拟物体的交互，计算并产生响应力的过程。
通常有两种类型的渲染算法：
(1) 3自由度触觉演绎：这类算法考虑的是单个接触点与虚拟物体的场景，虚拟物体只有3个自由度(3 DOF)，只能在3D空间改变位置。
(2) 6自由度触觉演绎：这类算法以6个自由度抓取物体：解决了位置和旋转的问题，触觉反馈既有位置也有力矩。触觉渲染界面也值得一提。触觉渲染接口负责产生机械信号刺激人的肌肉和触觉通道，使人在真实环境中理解感知和反应。触觉接口的目标是通过再现虚拟物体的物理特征来操纵它们。一般来说，这类界面可以分为被动触觉界面、主动触觉界面和混合触觉界面。被动触觉界面只能对用户运动施加阻力。主要的触觉接口使用具有提供能量能力的致动器。这种致动器可以是电动机、液压系统、压电装置等。混合触觉接口使用主动和被动致动器。
虚拟现实系统工程和软件框架
如何建立一个虚拟现实系统
开发和操作一个VR系统并不容易，它需要许多领域的深入知识，包括传感和跟踪技术、立体显示、多模态交互和处理、计算机图形和几何建模、动态和物理仿真、性能调整等等。与其他软件系统相比，新的特点是：(1)实时性能要求；(2)国防部
构建一个VR系统往往需要一步一步的迭代实现。第一步，分析虚拟体验的需求，描述完整的流程和场景结构，包括时间和交互条件。还需要估计基本的输入/输出设施或必要的计算能力。在需求分析的基础上，有必要对主要的虚拟对象进行建模。使用CAD软件，往往需要建立几何形体，开发人员使用图形/VR库函数(例程)对行为特征进行编程。应组织虚拟物体和其他组件形成场景，并将编程后的场景以高帧率(如20 Hz)渲染显示给用户，以保证物体动画的流畅度。系统中经常使用特定的VR传感器和显示设备作为接口。通过一步一步的细化，系统逐渐满足用户的要求。
VR软件要一步一步迭代开发。最初的迭代应该集中在常规的视图上，例如需求分析、对象和特征的描述、层次结构的定义、全局系统行为、用户任务建模和整体系统架构。下一步涉及更多VR相关的视野，逐步细化性能目标和计算模块。我们可以简单描述如下：
算法1 VR软件开发算法
(1)脚本设计/需求分析
(2)对象/全局行为/系统结构的“场景”建模
系统概要设计/修改要求
系统设计
系统模拟与验证、性能调整和流程分配。
(3)性能/任务分解/交互模型/信息细化、功能和行为模型
(4)演示/特效的实现
虚拟现实系统工程
VR/AR/MR的开发是一项特殊的系统工程，这里称之为虚拟现实系统工程。本文从交互设计、软件设计与实现、虚拟现实应用三个方面进行了论述。
1、互动设计
学者们提出了一个基于混合对象的集成框架：将MR中出现的对象称为(虚拟/真实)混合对象，并分析了混合对象的内涵和外延特征，从而给出了一些方法，如：
(1)以用户为中心的迭代设计方法；
(2)嵌入式磁共振环境。
针对虚拟现实系统工程，还讨论了一些特殊的设计问题，如提出了一种面向工程的软硬件协同设计方法；在设计结构中，讨论了基于模型的方法，采用传统的基于模型的转换方法，从概念模型逐步演化提炼，最终实现软件方法。
2、生命周期
和所有的软件系统一样，VR系统也有它的生命周期。VR系统的生命周期管理也是一个挑战。
app应用
VR不仅在游戏和娱乐中找到了自己的位置，而且应用领域也非常广泛，主要是在健康、教育、娱乐、文化、工业和军事方面。
保健科学
虚拟现实技术广泛应用于医疗领域，如外科手术和康复。
1、虚拟手术
虚拟小屏幕是台架模拟现实应用中的一个热点，已经开发了许多系统。术前准备通常可以通过虚拟现实系统来实现。这样的系统使外科医生在虚拟环境中熟悉和提高自己的技能，对真实的手术过程大有裨益。
2、虚拟康复治疗
虚拟现实也可以用于基于物理治疗的康复。用于康复的虚拟现实系统集成了触觉和高级传感技术，识别运动模式，开发模拟任务(治疗练习)和诊断。一般通过立体显示、力反馈设备和现代传感技术来实现。通过采集数据，导入医院检测，基于人工智能模型实现诊断。
3、心理疗法
在心理治疗中使用虚拟现实也是有用的。比如对于自闭症儿童，直接把他们放在人群中，可能会让他们不舒服。利用VR技术，让他/她先熟悉虚拟人群，让他/她逐渐融入人群会更有利。
虚拟解剖结构
虚拟解剖也是VR的一个典型应用。借助VR技术，医学生可以直观地掌握解剖技术，了解人体结构，解决解剖对象短缺的问题。
工业制造应用
计算机广泛应用于产品开发。计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助装配规划(CAAP)在产品生命周期中被广泛应用。虚拟现实技术的应用极大地提高了CAD/CAM的处理能力。图3展示了VR在产品设计中的应用。
图3产品设计中的虚拟现实系统
虚拟现实技术也广泛应用于装配和运维。1990年，波音公司开始研发777飞机。生产过程中采用了大量全新的航电、飞控和起落架设计，飞机上需要安装大量的长束航空线束。这些航空线束不仅负责传统的输配电功能，还负责各种系统的信息传输功能。线束的安装位置必须准确快速，一方面保证各种线束互不干扰，另一方面避免被外界信号干扰或干扰。
为了准确安装这些复杂的线束，1990年，波音公司的两位工程师托马斯考德尔(Thomas Caudell)和大卫米泽尔(David Mizell)提出使用平视透视装置。使用该设备，安装工人可以根据他们在工作期间的当前位置和头部方向自动生成虚拟图像，并将它们叠加在工人视野中的真实场景上。工人可以根据透视虚拟线的指引轻松安装各种航空线束。通过这样的装置，可以容易地提高安装线束的效率，并且可以减少安装线束时的错误。增强现实(augmented reality)这个词也在这里应运而生，它描述了这种根据用户看到的物体及其在真实场景中的位置和头部朝向，自动叠加虚拟内容的技术。托马斯和大卫将他们的想法写成了一篇论文，并在1992年的第25届国际系统科学大会上发表。
军事应用
虚拟现实在军事上的应用由来已久。表1中列出的伊凡苏泽兰项目支持来自美国国防部高级研究计划局。战场态势感知是军事中的一个重要问题。大量的侦察信息，无论是来自卫星、雷达、传感设备还是飞机侦察，都需要收集和整合。借助3D技术和虚拟现实技术，可以虚拟再现战场环境，有利于指挥作战。
训练也是虚拟现实技术在军事上的一个重要应用。飞机驾驶、导弹控制、军舰操作往往可以借助VR技术部分实现，从而降低成本，避免新手操作时容易发生的事故。其他还包括：士兵的单兵作战系统和飞行员的驾驶系统。
VR的其他应用，如教育、文化、旅游、BIM等。可能为读者所熟悉。限于篇幅，在此不再赘述。
趋势、发展和挑战
虚拟现实发展迅速。从资本市场来看，2017年8月9日，蜂网发布《2017年上半年VR/AR投融资报告》，称全球VR/AR行业总投资超过21.63亿美元。其中，国内VR/AR行业总投资超过5.2亿美元；外商投资总额超过16.4亿美元。在过去的6个月里，共有126起投资事件，其中60起发生在中国，84起发生在国外。这些投资主要集中在技术、硬件、游戏、平台、教育、建筑和工业应用领域。其中科技、硬件、游戏是投资热点。腾讯在2016年发布了全球首份AR行业报告：到2017年，AR市场规模将增长至52亿美元。IDC发布报告：未来四年全球AR和VR市场收入有望翻倍甚至更多。AR/VR产品和服务的所有支出预计将从2017年的114亿美元上升到2021年的2150亿美元，年增长率为113.2%。面对巨大的机遇，我们也面临新的挑战。
首先，鉴于虚拟现实的3R要求，对处理器的要求非常高。对芯片(CPU、GPU和HPU)及其集成能力的需求非常迫切。感知技术/激励技术，包括硬件和软件，都需要进一步发展。这里，仅从软件的角度来看，我们的机遇和挑战包括：
(1) VR建模技术。热区
(2) VR开发方法。与大家习惯的软件开发有很大不同，VR是一个软硬件一体化的对抗系统，需要软硬件的协同设计和开发，相应的开发方法也需要研究和深化。
(3)大数据处理能力。VR系统涉及大量的感知数据，这些数据的实时采集、融合、处理和分析需要特殊的算法。
(4)人工智能。传统VR进化为AR和MR的关键在于大数据处理和AI技术，而针对AR和MR的算法和技术研究还处于起步阶段。
(5)上下文感知的计算能力。情境感知计算作为一种计算形式，具有适应性、响应性、对应性、位置性、情境敏感性和环境导向性等特征，是VR系统所必需的，也是需要突破的。
黄飞
标签：现实技术系统