虚拟现实技术讲解

了解了虚拟现实的基本概念，大家觉得虚拟现实会有哪些技术特性呢？同学们可以{将:jiang2}自己的理解发送至课程讨论。

1994年，美国科学家G.布尔迪亚和 P.科伊菲特在《虚拟现实技术》一书中提出，虚拟现实具有3个重要特征，即 沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination），这三个特征常被称为虚拟现实的3I特征。

虚拟现实的3I特征是本节课的重点之一，它主要关注三个关键方面：一是虚拟环境的准确呈现，即沉浸感；二是人机交互的自然性，即交互性，三是感知信息合成的可能性，即构想性。虚拟现实依靠动态环境建模、立体显示、传感器、系统开发工具、实时三维图形生成和系统集成等核心技术，让用户仿佛身临其境般感受虚拟环境，进而实现探索和体验虚拟世界的目标。

虚拟现实系统根据人类的视觉、听觉的生理和心理特点，通过外部设备及计算机产生逼真的三维立体图像，并利用头盔式显示器或其他设备，把参与者的视觉、听觉和其他感觉与现实世界分隔开来，提供一个新的、虚拟的、逼真的感觉空间，以实现沉浸感受。

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。以虚拟模拟驾驶系统为例，用户可操控方向等操作，系统实时反馈。手能抓取虚拟物体并体验颠簸、惯性、不同路况等真实感。

构想性是指以现实为基础创造出超越现实的可感知情景，大到可以模拟宇宙太空，把人带入浩瀚无比的“宇宙空间”，小到可以模拟原子世界里的动态演化，把人带入肉眼不可见的微观世界。

好的，当我们明白了虚拟现实技术的3I特性后，大家可以继续思考下它的技术特性需要哪些硬件来支持呢？

一般来说，一套完整的虚拟现实系统由对应现实五感的VR设备和PC设备两套构架组成。

这两套构架还可以分为三个部分：一是三维的虚拟环境产生器及其显示部分，二是由各种传感器构成的信号采集部分，三是由各种外部设备构成的信息输出部分。

具体来讲，从左到右，是人类感觉运动系统，如眼睛、耳朵、触觉和言语，通过VR设备端人机接口设备连接到PC端构架。这些设备根据感官模式驱动程序或渲染器向用户生成输出的视听信息或从用户接收动作指令输入。下面我们来看两个真实虚拟现实硬件系统。

上图左边是美国航空航天局在上世纪80年代开发的头戴式虚拟现实显示器，用于模拟火星探索任务。右侧是一套虚拟现实娱乐系统，它为玩家提供了在虚拟世界中的行动自由，包括蹲伏、跪下、后退、扫射和跳跃。

在了解了虚拟现实技术特性和硬件要求的基础上，我们还要着重了解的是随着近年来虚拟现实技术的发展，其概念内涵和外延也在不断发生新的变化，那与虚拟现实技术相关的技术都有哪些呢？

它们分别是：VR（虚拟现实），完全虚拟的封闭世界，用户戴设备后看不到真实环境，如虚拟旅游、游戏； AR（增强现实），在真实场景中叠加虚拟信息，如用手机相机辅助虚拟试衣、导航实景路线标注；MR（混合现实），虚拟与现实深度融合，虚拟物体可与真实物体互动，如把虚拟家具 “摆” 在真实房间里。还有XR（扩展现实），统合所有虚实结合技术，涵盖 VR、AR、MR，代表未来交互趋势。

具体来说，AR增强现实对真实物理世界的改变最小，最贴近现实生活；VR虚拟现实是通过构建完全虚拟的世界，使用户沉浸其中，隔绝对真实世界的感受；而MR混合现实则是介于前两者之间，将真实物理世界与虚拟世界进行了融合。

如果我们再简单来总结话，AR就是有真有假，VR全是假的，而MR则是真假不分。

在了解了虚拟现实相关技术后，我们来看下其在现实生活中的应用：其中数字孪生技术在城市治理与历史文化保护方面应用广泛，为管理者提供实时反馈与决策分析。

在文旅宣传与景观漫游方面，虚拟现实也能带给受众身临其境的虚拟体验。

而在数字娱乐产业中，虚拟现实的用户能脱离现实世界，体验完全虚构的幻想世界。

在科研与教育领域虚拟现实技术也能助力研究人员突破物理限制，遨游微观和宏观世界。

为科学研究和教育培训提供更直观的虚拟仿真体验。

好的，那以上就是本节课的全部内容，下课前让我们一起回顾下本节课的主要内容，分别是虚拟现实的基本概念 ；虚拟现实技术的3I特性；虚拟现实系统的硬件组成；以及AR、MR、VR技术；最后还要能够例举出虚拟现实技术在现实生活中的应用。

那在下课前，小智老师给大家布置两道思考题：一是谈谈你对虚拟现实技术现状及未来发展的看法。第二个问题是你认为虚拟现实有哪些可发掘的应用前景？期待下节课大家的回答。

好，那本节课就上到这里，感谢大家的聆听与关注，我们下次课再见！