虚拟现实技术的应用与挑战

钱 雨

（清华大学，北京，10010）

近年来，虚拟现实技术（VR）已经在不经意间走进了我们的世界，丰富着我们的生活，提升着人们的幸福感。随着数字技术的不断进步，虚拟现实技术的表现能力也随之增强，应运而生了增强现实技术。增强现实技术（AR）是指通过装置将现实世界的物体真实地转换为虚拟世界的二维图像，再通过计算机的计算将人眼所看到的图像同时呈现在显示屏、视觉头盔等装置上的技术过程，它不但可以同步现实世界的影像，还可以同时将虚拟的2D或3D图像一同显示，将真实世界和虚拟世界的信息合成在一起。目前，世界上许多知名的博物馆，如底特律美术博物馆、大别山地质博物馆，都使用A R技术来展现博物馆中的馆藏珍品，同时参观者可以使用手机中的APP摄像功能，将博物馆的作品同步到手机屏幕中，利用手机显示作品的相关信息。混合现实技术（MR）是人们可以通过MR技术混合现实头盔与虚拟物体在现实世界里实时互动的一种技术。简言之，混合现实技术将VR和A R的优点集于一身，使人们既可以看到现实世界，又能体验虚拟世界。例如在电影《头号玩家》中，体验者带上头盔就会进入到虚拟的“绿洲”，这就是虚拟现实情境（图1）。进一步说，增强现实技术将真实的环境和虚拟的世界同时叠加到同一个画面或空间中形成，混合现实是在虚拟环境中加入现实场景，以达到真假边界模糊的视觉效果。未来，虚拟现实技术的迅猛发展势必会给影视行业带来新的突破和革新，以虚拟现实技术的发展历程为切入点，分析虚拟现实技术在人类当代社会生活中的应用，探讨虚拟现实技术在未来各行业中的发展前景，对虚拟现实技术的发展具有重要的实际意义。

一、虚拟现实技术的发展历程

虚拟现实技术的发展不是一蹴而就的，而是经历了意识、萌芽、形成与发展四个历史阶段。第一个阶段（1963年以前）以蕴含虚拟现实思想的出现为主要标志，这时声音、形状、动态模拟感应概念被首次描述出来；第二个阶段（1963—1972）计算机交互协作理论的初步提出为虚拟现实技术的萌芽带来契机；第三个阶段（1973—1989）虚拟现实概念的理论逐渐形成并有所发展；第四个阶段（1990—2004）虚拟现实理论进一步的完善并实现跨领域应用。

1. 虚拟现实意识的孕育阶段

真理是寻求的，科学是探索的。在几百年前的吴哥窟已经出现了360度展现历史事件或场景全貌的全景壁画，可见对现实世界的全景模拟是人类很早便有的梦想。1935年，美国著名科幻小说家斯坦利•温鲍姆(Stanley G. Weinbaum）在他的短篇小说《皮格马利翁的眼镜》一书中描述了一种神奇的眼镜(图2)，当人们戴上这种眼镜后，就可以直接进入到电影的各种场景中，不但可以感受到电影里的环境，甚至还可以和故事中的人物进行交流，这一构思被认为是人类首次提出的虚拟现实理念型概念，就此打开了人类探索虚拟现实世界的大门。

2. 虚拟现实技术的萌芽阶段

美国虚拟现实之父伊凡·苏泽兰（Ivan Sutherland）在他1965年发表的论文《终极展示》（The Ultimate Display）一文中，第一次提出将计算机显示屏幕作为“一个观察虚拟世界窗口”的理论假设，指出计算机技术为这个窗口提供逼真的景象、声音、事件和行为，体验者可以通过这一方式和虚拟世界中的对象互相交流。他的这一提法为虚拟现实技术提供了理论印证，让人们意识到了这种技术是可以被实现的(图3)。1965年，伊凡·苏泽兰又提出了感觉和交互真实的人机协作新理论，在这一理论指导下，美国空军开始利用虚拟现实技术模拟飞行来培训飞行员和进行战斗指导。之后，他根据前期的研究成果发明出可以达到视觉沉浸效果的头盔式立体显示器和头部位置跟踪系统。1969年又开发出终极显示器——达摩克利斯之剑。此后，经过几代人的不断努力，虚拟现实技术终于从科幻小说走向现实。

3. 虚拟现实技术的初步发展

1987年，美国计算机科学家、思想家、V P L公司创建人杰伦·拉尼尔（JaronLanier）首次提出了VR这一概念。1991年，V PL公司发布了V irt ua lit y 1000 CS虚拟现实设备，受到了普通消费者的热烈追捧，它是备用头戴式显示设备来播放视频和音频，用户可以通过3 D操纵杆来进行虚拟与现实的交互，由于价格的优势和便捷的可穿戴性，它被认为是20世纪90年代最具影响力的VR设备，同时也是消费级VR的重大飞跃。

4. 虚拟现实技术的蓬勃发展

进入21世纪，数字化时代的到来促使虚拟现实技术实现了迅猛发展，人们以价格更低廉、穿戴更方便、视觉效果更逼真为需求，不断改进VR技术和相应的VR设备，各种拥有虚拟现实技术的VR设备不断涌现，基于个人计算机的沉浸式头戴设备(HM D)、移动（M o b i l e VR）等VR硬件设备开始进入了普通消费市场。VR的巨大发展潜力吸引诸多公司开始研发虚拟现实技术，在这一背景下，微软、索尼、Oculus（Faceb oo k旗下品牌）、谷歌、苹果、三星、HT C等科技企业都开始进入这一技术领域。此后，VR技术在医疗、飞行、制造和军事领域也开始得到深入和广泛的应用与研究。

图1 《头号玩家》虚拟现实情境

图2 马格利翁的眼镜

图3 1970年计算机设备显示技术功能

二、虚拟现实技术的当代应用

由于虚拟现实技术能够创造出与现实社会相似的情境，体验者能够获得身临其境的感觉，当代虚拟现实技术的发展已经不限于应用在视觉艺术中，在现代社会生活的诸多领域都有着非常广阔的应用前景。

1. 教育领域

VR技术应用在教育领域的优势主要体现在虚拟现实技术可以打破空间与时间的限制，全方位、多角度地展示教学内容，不但能够丰富课堂教学内容，还可以使学生主动参与到教学过程中来，由被动听讲转变为主动学习。同时，虚拟现实技术构建的虚拟环境为学生提供了良好的人机交互情景，许多实践类、创作类的课程均可以通过虚拟现实环境来完成，这极大地提升了学生学习的兴趣和效率。此外，VR在现代教育观念、教学内容和手段、教学效果评价、教育均衡发展以及课件开发等各个方面都有十分重要的实用价值。

2. 营销领域

VR技术在当代营销领域具有十分广泛的应用价值。消费者可以通过VR技术观看产品的生产、包装、品控等各个环节的实景直播，更加了解产品的服务和品质。这种营销方式给消费者带来强烈参与感的同时，也加深了消费者对产品的认同感，提高了产品销量和产品品牌的好感度。

3. 新闻领域

VR技术在新闻领域的应用前景也十分广阔。虚拟现实技术可以通过实景还原新闻现场，使观众有身临其境的感觉体验，可以真实、准确地了解新闻内容，增强新闻报道的交互性、提升新闻价值。对于一些综艺节目的直播，虚拟现实技术通过丰富演播室的背景增加现场感，还可以实现电视新闻与新媒体常态化的实时互动，使传统的电视媒体和新媒体得以更加深入地融合。

4. 医疗领域

近年来，虚拟现实技术在当代医疗领域的应用也受到广大群众的关注。其主要应用是运用VR技术预先模拟手术，以便医生了解在手术过程中将要出现的各种情况，从而规划将要进行的工作，VR技术可在临床操作中提高成功率、减少失误和操作时间。此外，在手术导航、医疗教育、远程医疗、康复辅助等方面，VR技术也具有十分广阔的发展前景。

5. 娱乐领域

游戏情境应用是虚拟现实技术应用最广泛的领域。以英 国近期发明的滑雪模拟器来说，使用者身穿滑雪服、脚踩滑雪板、手拄滑雪棍、头带头盔显示器，手脚上方都装着传感器，在斗室里做着各种各样的滑雪动作，便可通过头盔式显示器，看到堆满皑皑白雪的高山、峡谷、悬崖陡壁一一从身边掠过，其体验就如同在滑雪场里进行运动的真实感觉。VR技术的发展、使用给大众的娱乐生活增添了新的内容，使其参与感、幸福感得到明显的提升。

三、VR影视的新挑战

电影是融合了视觉、听觉的综合性视听艺术形式。从其诞生之日起，电影自身的特点就决定了电影艺术的每一步发展都与科技密不可分。VR电影是借助计算机系统及传感器技术而生成，在三维环境中模拟人类感官，使人们完全沉浸并享受在虚拟世界中的电影形式。伴随着VR技术的不断发展，它给人们带来的真实感愈加强烈，这种真实感不仅仅表现在对观众的头部、眼睛、手腕等重要部位的动作进行精准的捕捉，还能对触觉、嗅觉等进行感知，从而根据要求对电影影像进行合理的调整。对于观众来说，VR电影的最大价值在于其不但可以形成人景互动，而且能让观众拥有对剧情的选择权，使观众在电影的观影过程中的主体地位得到前所未有的提升。通过对VR技术发展的现状分析，我们可以发现，VR技术在影视界具有相当大的发展潜力。在不久的将来，VR电影将冲破枷锁，不再受维度的限制，不再受视角的束缚，全方位地满足广大观众的视觉要求，以及听觉、触觉和嗅觉上的真实模拟感受，使他们能够完完全全地浸润、享受、投入到影片中，这对未来的电影行业将具有深远而广泛的影响。

1. VR技术的介入改变了电影的叙述方式

VR技术为电影提供了崭新的叙事方式。由于VR技术具有虚拟性和交互性，使电影从传统的线性叙事向非线性叙事或多线性叙事转变，观众可以自由地选择观看视点，而不需要按照导演预先安排的剧情观看，当然这就要求电影在主体剧情之外还要并行设置各种辅助剧情来满足观众的多样化需求。由此，VR技术的介入对传统的电影叙事方式产生了极大的冲击，使其向更人性化、多样化的表现迈进了一大步。

2. VR技术丰富了电影镜头语言的表现

镜头语言对传统电影来说十分重要，但VR电影却撼动了镜头语言的存在价值。传统电影是在二维平面上放映影像，用银幕讲述故事，此时的镜头语言是电影叙事的主要工具。而VR电影则是用360度视点的存在来构造一个三维空间，与传统电影的镜头语言单位不同，VR电影的单位是场景，场景的存在弱化了传统电影语言剪辑存在的痕迹。因此，VR电影为了观众能够更加真实地体验三维场景，在场景的切换频率上必须严格把控，只有在合理设置切换频率的基础上，运用交叉、渐变、擦除、叠化等VR技术，才能满足观众的方向感和真实感体验的需求。

3. VR技术使受众获得更佳的观影体验

由于VR电影所展现的是更深入和有意义的故事，观众在虚拟现实中不再是简单地看或听，而是完全沉浸在其中。VR技术不仅可以让观众在观赏电影时获得视觉、听觉、触觉上的体验，甚至可以通过立体电影设备感受到气味，从而丰富观众的感官刺激，观众可以在虚拟现实技术营造的逼真情形中感受到鸟语花香、奇幻世界、太空梦想等以往不可能实现的场景，从而获得更佳的观影体验。

四、结语

VR技术在现代社会生活中的多方面得到了应用，尤其在影视行业的发展中，不但使观众得到了前所未有的观影体验，同时也对传统电影的拍摄方式和镜头语言表达产生了极大的冲击和挑战。迄今为止，我们对VR技术的探求还只是漫漫征途中的一小步，人类追求科技进步的步伐永不止息。随着VR技术的发展，未来的VR电影将会不断刷新我们对虚拟现实技术的认知，让科技之美在电影艺术中不断绽放。