靈境

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真)是近年來出現的高新技術，也稱靈境技術或人工環境。虛擬現實是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關於視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。VR是一項綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、感測技術、人工智慧等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時，電腦可以立即進行複雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產生臨場感。該技術集成了計算機圖形(CG)技術、計算機模擬技術、人工智慧、感測技術、顯示技術、網路并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。概括地說，虛擬現實是人們通過計算機對複雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現實在技術思想上有了質的飛躍。虛擬現實中的“現實”是泛指在物理意義上或功能意義上存在於世界上的任何事物或環境，它可以是實際上可實現的，也可以是實際上難以實現的或根本無法實現的。而“虛擬”是指用計算機生成的意思。因此，虛擬現實是指用計算機生成的一種特殊環境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環境中，並操作、控制環境，實現特殊的目的，即人是這種環境的主宰。

1、第一階段（1963年以前）有聲形動態的模擬是蘊涵虛擬現實思想的階段

1929年，Edward Link設計出用於訓練飛行員的模擬器；1956年，Morton Heilig開發出多通道模擬體驗系統Sensorama。

2、第二階段（1963—1972）虛擬現實萌芽階段

1965年，Ivan Sutherland發表論文“UltimateDisplay”（終極的顯示）；1968年，Ivan Sutherland研製成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器（HMD）；1972年，NolanBushell開發出第一個互動式電子遊戲Pong。

3、第三階段（1973—1989）虛擬現實概念的產生和理論初步形成階段

1977年，Dan Sandin等研製出數據手套SayreGlove；1984年，NASA AMES研究中心開發出用於火星探測的虛擬環境視覺顯示器；1984年，VPL公司的JaronLanier首次提出“虛擬現實”的概念；1987年，JimHumphries設計了雙目全方位監視器（BOOM）的最早原型。

4、第四階段（1990年至今）虛擬現實理論進一步的完善和應用階段

1990年，提出VR技術包括三維圖形生成技術、多感測器交互技術和高解析度顯示技術；VPL公司開發出第一套感測手套“DataGloves”，第一套HMD“EyePhoncs”；21世紀以來，VR技術高速發展，軟體開發系統不斷完善，有代表性的如MultiGen Vega、Open Scene Graph、Virtools等。

VR涉及學科眾多，應用領域廣泛，系統種類繁雜，這是由其研究對象、研究目標和應用需求決定的。從不同角度出發，可對VR系統做出不同分類。 

1、根據沉浸式體驗角度分類

虛擬現實

沉浸式體驗分為非互動式體驗、人——虛擬環境互動式體驗和群體——虛擬環境互動式體驗等幾類。該角度強調用戶與設備的交互體驗，相比之下，非互動式體驗中的用戶更為被動，所體驗內容均為提前規劃好的，即便允許用戶在一定程度上引導場景數據的調度，也仍沒有實質性交互行為，如場景漫遊等，用戶幾乎全程無事可做；而在人——虛擬環境互動式體驗系統中，用戶則可用過諸如數據手套，數字手術刀等的設備與虛擬環境進行交互，如駕駛戰鬥機模擬器等，此時的用戶可感知虛擬環境的變化，進而也就能產生在相應現實世界中可能產生的各種感受。

如果將該套系統網路化、多機化，使多個用戶共享一套虛擬環境，便得到群體—虛擬環境互動式體驗系統，如大型網路交互遊戲等，此時的VR系統與真實世界無甚差異。

2、根據系統功能角度分類

系統功能分為規劃設計、展示娛樂、訓練演練等幾類。規劃設計系統可用於新設施的實驗驗證，可大幅縮短研發時長，降低設計成本，提高設計效率，城市排水、社區規劃等領域均可使用，如VR模擬給排水系統，可大幅減少原本需用於實驗驗證的經費；展示娛樂類系統適用於提供給用戶逼真的觀賞體驗，如數字博物館，大型3D互動式遊戲，影視製作等，如VR技術早在70年代便被Disney用於拍攝特效電影；訓練演練類系統則可應用於各種危險環境及一些難以獲得操作對象或實操成本極高的領域，如外科手術訓練、空間站維修訓練等。

1、沉浸性

沉浸性是虛擬現實技術最主要的特徵，就是讓用戶成為並感受到自己是計算機系統所創造環境中的一部分，虛擬現實技術的沉浸性取決於用戶的感知系統，當使用者感知到虛擬世界的刺激時，包括觸覺、味覺、嗅覺、運動感知等，便會產生思維共鳴，造成心理沉浸，感覺如同進入真實世界。

2、交互性

交互性是指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度，使用者進入虛擬空間，相應的技術讓使用者跟環境產生相互作用，當使用者進行某種操作時，周圍的環境也會做出某種反應。如使用者接觸到虛擬空間中的物體，那麼使用者手上應該能夠感受到，若使用者對物體有所動作，物體的位置和狀態也應改變。

3、多感知性

多感知性表示計算機技術應該擁有很多感知方式，比如聽覺，觸覺、嗅覺等等。理想的虛擬現實技術應該具有一切人所具有的感知功能。由於相關技術，特別是感測技術的限制，目前大多數虛擬現實技術所具有的感知功能僅限於視覺、聽覺、觸覺、運動等幾種。

4、構想性

構想性也稱想象性，使用者在虛擬空間中，可以與周圍物體進行互動，可以拓寬認知範圍，創造客觀世界不存在的場景或不可能發生的環境。構想可以理解為使用者進入虛擬空間，根據自己的感覺與認知能力吸收知識，發散拓寬思維，創立新的概念和環境。

5、自主性

是指虛擬環境中物體依據物理定律動作的程度。如當受到力的推動時，物體會向力的方向移動、或翻倒、或從桌面落到地面等。

虛擬現實的關鍵技術主要包括：

1、動態環境建模技術

虛擬環境的建立是VR系統的核心內容，目的就是獲取實際環境的三維數據，並根據應用的需要建立相應的虛擬環境模型。

2、實時三維圖形生成技術

三維圖形的生成技術已經較為成熟，那麼關鍵就是“實時”生成。為保證實時，至少保證圖形的刷新頻率不低於15幀/秒，最好高於30幀/秒。

3、立體顯示和感測器技術

虛擬現實的交互能力依賴於立體顯示和感測器技術的發展，現有的設備不能滿足需要，力學和觸覺感測裝置的研究也有待進一步深入，虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤範圍也有待提高。

4、應用系統開發工具

虛擬現實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，選擇適當的應用對象可以大幅度提高生產效率，減輕勞動強度，提高產品質量。想要達到這一目的，則需要研究虛擬現實的開發工具。

5、系統集成技術

由於VR系統中包括大量的感知信息和模型，因此系統集成技術起著至關重要的作用，集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別與合成技術等。

1、在影視娛樂中的應用

虛擬現實

近年來，由於虛擬現實技術在影視業的廣泛應用，以虛擬現實技術為主而建立的第一現場9DVR體驗館得以實現。第一現場9DVR體驗館自建成以來，在影視娛樂市場中的影響力非常大，此體驗館可以讓觀影者體會到置身於真實場景之中的感覺，讓體驗者沉浸在影片所創造的虛擬環境之中。同時，隨著虛擬現實技術的不斷創新，此技術在遊戲領域也得到了快速發展。虛擬現實技術是利用電腦產生的三維虛擬空間，而三維遊戲剛好是建立在此技術之上的，三維遊戲幾乎包含了虛擬現實的全部技術，使得遊戲在保持實時性和交互性的同時，也大幅提升了遊戲的真實感。

2、在教育中的應用

如今，虛擬現實技術已經成為促進教育發展的一種新型教育手段。傳統的教育只是一味的給學生灌輸知識，而現在利用虛擬現實技術可以幫助學生打造生動、逼真的學習環境，使學生通過真實感受來增強記憶，相比於被動性灌輸，利用虛擬現實技術來進行自主學習更容易讓學生接受，這種方式更容易激發學生的學習興趣。此外，各大院校利用虛擬現實技術還建立了與學科相關的虛擬實驗室來幫助學生更好的學習。

3、在設計領域的應用

虛擬現實技術在設計領域小有成就，例如室內設計，人們可以利用虛擬現實技術把室內結構、房屋外形通過虛擬技術表現出來，使之變成可以看的見的物體和環境。同時，在設計初期，設計師可以將自己的想法通過虛擬現實技術模擬出來，可以在虛擬環境中預先看到室內的實際效果，這樣既節省了時間，又降低了成本。

4、虛擬現實在醫學方面的應

醫學專家們利用計算機，在虛擬空間中模擬出人體組織和器官，讓學生在其中進行模擬操作，並且能讓學生感受到手術刀切入人體肌肉組織、觸碰到骨頭的感覺，使學生能夠更快的掌握手術要領。而且，主刀醫生們在手術前，也可以建立一個病人身體的虛擬模型，在虛擬空間中先進行一次手術預演，這樣能夠大大提高手術的成功率，讓更多的病人得以痊癒。

5、虛擬現實在軍事方面的應用

由於虛擬現實的立體感和真實感，在軍事方面，人們將地圖上的山川地貌、海洋湖泊等數據通過計算機進行編寫，利用虛擬現實技術，能將原本平面的地圖變成一幅三維立體的地形圖，再通過全息技術將其投影出來，這更有助於進行軍事演習等訓練，提高我國的綜合國力。

除此之外，現在的戰爭是信息化戰爭，戰爭機器都朝著自動化方向發展，無人機便是信息化戰爭的最典型產物。無人機由於它的自動化以及便利性深受各國喜愛，在戰士訓練期間，可以利用虛擬現實技術去模擬無人機的飛行、射擊等工作模式。戰爭期間，軍人也可以通過眼鏡、頭盔等機器操控無人機進行偵察和暗殺任務，減小戰爭中軍人的傷亡率。由於虛擬現實技術能將無人機拍攝到的場景立體化，降低操作難度，提高偵查效率，所以無人機和虛擬現實技術的發展刻不容緩。

6、虛擬現實在航空航天方面的應用

由於航空航天是一項耗資巨大，非常繁瑣的工程，所以，人們利用虛擬現實技術和計算機的統計模擬，在虛擬空間中重現了現實中的太空梭與飛行環境，使飛行員在虛擬空間中進行飛行訓練和實驗操作，極大地降低了實驗經費和實驗的危險係數。

即使VR技術前景較為廣闊，但作為一項高速發展的科技技術，其自身的問題也隨之漸漸浮現，例如產品回報穩定性的問題、用戶視覺體驗問題等。對於VR企業而言，如何突破目前VR發展的瓶頸，讓VR技術成為主流仍是他們所亟待解決的問題。

首先，部分用戶使用VR設備會帶來眩暈、嘔吐等不適之感，這也造成其體驗不佳的問題。部分原因來自清晰度的不足，而另一部分來自刷新率無法滿足要求。據研究顯示，14k以上的解析度才能基本使大腦認同，但就目前來看，國內所用的VR設備遠不及騙過大腦的要求。消費者的不舒適感可能產生的其對VR技術是否會對自身身體健康造成損害的擔憂，這必將影響VR技術未來的發展與普及。

VR體驗的高價位同樣是制約了其擴張的原因之一。在國內市場中，VR眼鏡價位一般都在三千元以上。當然這並非是短時間內可以解決的問題，用戶如果想體驗到高端的視覺享受，必然要為其內部更高端的電腦支付高昂的價格。若想要使得虛擬現實技術得到推廣，確保其內容的產出和回報率的穩定十分關鍵。其所涉及內容的製作成本與體驗感決定了消費者接受VR設備的程度，而對於該高成本的內容，其回報率難以預估。其中對VR原創內容的創作無疑加大了其中的難度。

從概念上講，靈境技術主要包括兩方面:

計算機生成的虛擬環境實際上是一個數據空間，包括視覺、聽覺、手感和體感等各種數據。有了這些數據，通過可感信息的生成，才能進行實時的環境渲染。數據可以是真實採錄的，也可以是人為製作的。靈境的數據空間，也稱虛擬世界或虛擬環境，實際上是一種感覺模型資料庫。

人與虛擬環境進行交互作用，必須通過人機介面。人使用計算機從機器代碼開始，發展到藉助高級語言工具和滑鼠，使人們使用計算機越來越方便。靈境技術採用數據手套和頭盔顯示器作為介面，使人機介面技術產生質的飛躍。

目前來看，市場需求是很大的，而供應方面卻略顯不足，尤其是擁有核心知識產權，技術過硬的企業並不多，行業整體缺乏品牌效應。

典型的靈境系統由效果產生器、實景模擬器、應用系統和幾何結構系統組成。一個基本的虛擬現實系統包括一套三維圖像顯示設備、一套三維交互設備，以及存儲和處理物理模型的主計算機。其中交互設備較為複雜和先進，這也是虛擬現實技術發展的重點和難點。計算機生成環境實際上就是靈境，它包括三個子系統：感測器子系統主要用於跟蹤和傳輸參與者的運動信息，以確保系統對參與者的運動作出正確的響應。常用的感測器有體位感測器、頭部位置感測器、眼睛凝視感測器和包括語音識別的音頻感測器。控制子系統是虛擬環境的核心，它的模型描述虛擬環境中的對象特徵和狀態信息。對象特徵包括對象的幾何模型、視覺特徵、物理特性、聲音特性和其他屬性。狀態信息包括位置、方位、加速度、速度，以及與其他對象的接觸關係等。執行機構子系統處理虛擬環境的輸出部分，給參與者提供真實的感覺。常用的執行機構有頭盔顯示器、簡單的音頻再現裝置、三維音頻裝置、與數據手套一體化的觸覺執行機構和力執行機構。

VR系統一般需要以下軟體和硬體支持：高性能計算機VR系統必須有運算速度快、圖形能力強的計算機硬體支持以實時處理複雜的圖像並縮短參與者的視覺延遲。例如，SGI公司的RealityEngine2每秒可以處理60萬個貼圖多邊形，並可實現高達每秒30幀的圖像更新率。頭盔顯示器頭/眼/手/體位跟蹤定位裝置；三維/六維滑鼠和空間球立體聲音響和三維空間定域裝置觸覺/力量反饋裝置軟體環境及開發工具。其他的設備:VR系統有時採用動感生成裝置(運動平台)，語音識別和合成系統等。

1990年在美國召開的國際會議討論了靈境的主要技術構成，包括實時三維圖形生成技術，多感測器交互技術和高解析度顯示技術。市場上比較成熟的VR相關三維顯示和交互設備有：三維圖形工作站、三維滑鼠器、數據手套、數據服、眼動跟蹤裝置、頭盔式立體顯示器、正交電磁場定位裝置及聲、光、磁跟蹤系統等。

靈境技術主要著眼於給人創造一個虛擬的局部世界，人可以與虛擬的世界進行自然交互，並能獲得眼、耳、鼻、舌、身的各種刺激。VR技術要求實現人體接觸的觸覺感覺，味覺和嗅覺的感覺也要逐漸實現。衡量VR技術的優劣的主要指標是沉浸度。計算機實時成象技術和三維圖像顯示技術、立體聲模擬技術和三維運動模擬技術等都是VR技術所需要的。但VR技術使用了Polhemus定位裝置、數據手套、數據服，以及超聲、磁學或光學跟蹤系統等，技術上有很大的突破。VR技術是從人的各種自然動作、手的姿態、眼球的運動、語言甚至表情的變化中獲取信息，實現人機交互。

靈境技術，也稱VR技術，具有沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和構想性(imagination)，使人們能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有交互效能多維化的信息環境。

VR技術具有超強的模擬模擬功能，效果畫面逼真，能模擬出具有以假亂真效果的非凡視覺感觀，同時還具有與現實環境中相同的觸覺、聽覺、嗅覺等多維度感覺體驗。VR技術可以讓人產生一種身臨其境的錯覺，沉浸在虛擬的環境中，渾然忘我。

VR技術與現實環境相輔相成，相互依存。簡而言之，就是體驗者與虛擬世界的無差別互動。VR技術可以做到對用戶的每個肢體動作反應出與現實環境相一致的具體反應，使體驗者能更好的融入虛擬環境中，而不是排斥。這也是慧宇星河體驗館一直以來追求的效果。

因為VR技術是一項虛擬現實的技術。讓體驗者可以在虛擬環境中獲得栩栩如生的現實感的一種超現實感覺，構想各類體驗感觀效果是達成這種超現實感覺的前提，也就成為了VR技術的重要特點之一。