VR技术及其应用的文献综述.pdf

108 大视野LARGEVR 全称 Virtual Reality，即虚拟现实技术。VR 的起源较早，却是在近年来才广泛普及，其虚拟性、交互性和沉浸性等特点为广大用户带来了新的视听感受，同时也为旅游、设计、心理学等研究领域带来了新的研究方法和研究方向。虚拟现实技术VR 全称 Virtual Reality，即虚拟现实，具有虚拟性、交互性、沉浸性等特点。该技术旨在通过使用计算机模拟生成虚拟的现实环境，以供研究、训练、娱乐等多种用途。目前，我国的虚拟现实技术正处于蓬勃发展期，其日新月异的发展变化为各个领域带来巨大的影响。陶雪琴和李婷梳理了虚拟现实技术的发展历程。虚拟现实技术的核心思想在于模拟与交互，在冷兵器时代出现的沙盘和行军图等可以看做是该技术的精神源头。近代工业革命以后，模拟与交互的需求出现在更多的领域。飞机的出现使得人们实现了飞翔的梦想，但是由于其设备与耗材价格的昂贵，再加之训练的困难与危险，真正可以体会飞行乐趣的人寥寥无几。1929 年，Edwin A.Link 发明了飞行模拟器，大大降低了飞行训练的成本，也为普通民众体验飞行乐趣提供了可能。真正为现代虚拟现实技术奠定基础的是美国计算机图形学之父 Ivan Sutherland，Ivan 的论文The Ultimate Display被公认为最早提出虚拟现实设想的文章。虽然 Ivan 没有直接在文章中使用“virtual reality”这一名称，但他在文中的大胆设想无疑为虚拟现实技术的发展提供了框架和方向。同时，其发明的“画板”系统（Sketchpad）也是世界上最早的带有人机交互的三维图形处理系统，而人机交互正是虚拟现实的技术基石。如今，虚拟现实技术正处于完善技术理论与大规模应用的阶段。陈海燕认为，2016 年是 VR 技术的商用元年。2016 年 1 月，尖端消费电子展览会（CES）于美国的拉斯维加斯拉开帷幕。在这场电子消费品的盛会上，虚拟现实技术设备成为当之无愧的焦点。在随后的一年之中，三星、HTC、索尼等游艺设备厂商集中发力抢占消费市场，这股VR 游艺设备的热潮一直持续到现在。目前，VR 设备对于广大消费者来说已经毫不陌生，但是人们对 VR 的概念可能还不明晰。从为用户带来的沉浸感上，VR 划分为沉浸式 VR（Immersive Virtual Reality）和非沉浸式 VR（non-Immersive Virtual Reality）。大众对于VR 设备的印象可能仅包含前者。沉浸式 VR 需要为用户配备专门的动作捕捉设备与一些特殊的视觉设备，以保证系统为用户提供最大程度的现实感，而非沉浸式的 VR（又称桌面式 VR）只需要常见的电脑设备即可，有些情况下甚至不需要提供 3D 眼镜。1990 年时，麻省理工学院举办圣芭芭拉会议，会议将各种各样的沉浸式的虚拟现实系统统称为“virtual reality”，但是并没有包含非沉浸式的虚拟现实系统。这就导致现在人们对于 VR 的印象可能更多是戴一个 VR 头盔，或者身穿动作捕捉设备进行的人机交互。但从文义上来说，通过电脑模拟生成的任何环境都能被称为虚拟的现实，Ivan 本人也认为计算机不一定要为用户提供真实世界的完全复制，计算机或者说技术人员完全可以让用户沉浸在一个光怪陆离的世界之中。从这种角度来看，已经发展较为成熟的电子游戏和 3D 电影是虚拟现实的经典代表。VR 技术的应用如前述，VR 的思想核心在于对现实的模拟，凡是有可能需要对现实环境进行控制或操作的领域，比如旅游、教育和心理学等领域，都可以应用 VR 技术。VR 在商业领域的应用顾客需求的推动促进了商业的发展，而虚拟现实技术为众多消费者提供了全新的消费体验。因此，商业领域成了虚拟现实技术大放光彩的重要领域，涵盖了旅游、设计、装潢等与人们生活息息相关的场景。目前，许多旅游景点正面临过度开发的问题，一些脆弱的名胜古迹甚至无法让游客近距离欣赏。而虚拟现实技术可以通过模拟的方式为无法亲临此地的游客提供与宣传片不同的观赏体验。实际上，早在 2010 年上海世博会中，VR 技术就已大放光彩。参展人员借助 VR 技术，辅之以触觉地板，使得游客可以在步行的同时欣赏到不断变化的景色，就仿佛正处在真正的香港街道之中。又比如，大同作为国内著名的文化名城，一直在探索历史古迹保护与旅游开发的完美平衡点。从文化传承的角度来看，珍贵的石窟、壁画、名刹古寺需要悉心地保护，但从城市的长远发展来看，那些影响力大、代表性强、艺术价值高的人文景点又颇具经济开发潜力。因此，VR 技术的兴起可以说为大同提供了最好的方案。VR 技术不仅仅可以将殿宇中的故事向游客娓娓道来，也可以使游客亲身体验当年发生在大同先民身上真正的历史故事。VR 技术不仅仅增加了游客的代入感，又可以避免对文物潜在的破坏，正可谓一举两得。VR 技术及其应用的文献综述文/段皓天天津师范大学心理学部109DIGITAL VIDEO TIMES随着社会的发展，VR 旅游的需求逐渐增大，一些城市意识到了 VR 技术的巨大潜力，着重开发虚拟体验设备来提升游客体验。例如，宁夏回族自治区通过“VR+观光牧场”的方式，提升自己的旅游品牌。这一形式不仅仅可以增加游客对现代化、信息化奶牛养殖的了解，还能增强游客对宁夏奶源品质的信心，促进宁夏乳制品行业的健康发展。除了场景体验方面的提升，VR 还可以让静态平面的传统文化重新鲜活起来。水墨艺术是我国优秀的传统文化，包含着我国独有的审美思想与艺术思想。VR 技术的应用，可以使书墨艺术的灵动与律动完美地展现在游客面前。游客在面对 VR 水墨艺术时，可以自主地选择观看视角，在艺术作品之中更自由地“行动”。如此，可以让观众更为真实地感受到水墨艺术中蕴含的情感与思想。目前，王会燕等人正在利用 VR 技术，深度挖掘苏州“运河十景”历史文化元素。研究人员将中国水墨人物与真实的旅游景点相互结合，既可以让游客体验美丽的景色，也可以让游客更加真实地感受传统文化的诗情画意。在旅游业中，虚拟现实技术主要应用于沉浸式体验，而在设计和装潢等领域，则应用了其交互特点。从设计图到最终实物的过程是一个从思维到现实的过程，在这个过程中，虚拟现实技术的使用为设计师和消费者提供了巨大的便利。虚拟现实系统生成的三维模型直观准确，能够给受众留下更生动的印象。这不仅方便用户提出自己的设计想法，增加他们的参与度，还可以节省成本。尤其在资金或预算有限的情况下，VR 可以使用户尽可能地尝试不同的方案。目前，“BIM+VR”技术是我国当代建筑设计行业现代化及规范化发展的重要一环。BIM 借助数字模型将各种信息组成一个整体，改变了建筑业的传统思维模式及作业方式，建立了设计、建造和运营的新方式，显著提高了工程质量和效率，为建筑业带来巨大的变革。VR技术可以对 BIM 技术构建形成的建筑模型进行调试，如灯光的强度、明亮、色温，甚至还可以对天气效果进行模拟，如晴天、雨天场景效果。虽然这一应用还处在萌芽阶段，但是“BIM+VR”技术仍然具有广阔的应用前景。除了以上两个领域，应用VR技术最多的便是游戏领域。VR 技术为游戏提供了丰富的视觉效果和空间表现手段，为玩家提供了更深层次的娱乐体验。它所具有的高交互性和强沉浸感的特征使得游戏的内容质量明显提高。2014 年，德国 VR 过山车公司设计的游戏“虚拟过山车”出色地运用了虚拟现实技术。该游戏将现实中的过山车游戏与虚拟的影像内容相结合，游客佩戴头盔显示器，眼前不再是传统过山车提供的单调风景，而是太空、恐龙等刺激的虚拟场景。VR 游戏除了为游戏玩家带来全新的体验之外，也能够在康复训练、避难训练等特殊情境中进行应用。近年来，人口老龄化的趋势使得社会对老年康复医疗服务的需求迅速增长。不少老人会产生严重的认知障碍，而 VR 游戏则为患者的康复训练带来的新的曙光。康复训练是一段枯燥而漫长的过程，患者在漫长的康复训练中会因为自身因素或其他因素产生抵触情绪。而游戏则可以为患者提供精神与心理的慰藉，VR 游戏允许用户根据自身的情况进行定制化的内容设计，它与康复训练相互结合，可以最大程度地减少治疗过程的枯燥，同时也会尽可能地吸引、鼓励患者积极进行康复训练。游戏后台的各项数据也可以用于评估患者的身体状况与恢复进展，这样也可以尽量减少治疗过程中产生的经济成本。在防震减灾领域，传统的科普宣传虽然起到了一定的作用，但是也仅仅是从认知方面进行科普教育。即使有组织相关的训练，但也存在参与人员积极性不足、认真程度不高、情境代入感不强等问题。而将 VR 游戏技术结合到防灾训练当中，可以为学员提供真实且安全的模拟情境，游戏中根据真实情况设置的各项任务更可以保证学员在实际操作中学到求生、救援等方面的知识，最大程度地发挥防震减灾科普宣传的作用。VR 在心理学中的应用虚拟现实技术的核心思想是“模拟”，所以它的最大优势可以分为两类：为使用者提供当前难以达到的环境；为使用者提供当前难以得到的物品。前文所述的虚拟现实技术在设计、旅游上的应用均体现了这两类优势。在心理学中，虚拟现实技术发挥得更多的可能是它的第一类优势，即为使用者提供难以达到的环境。自 1879 年冯特将心理学从哲学中分离出来，成为一门单独的学科开始，心理学就和实验密不可分。实验中无关变量控制的好坏直接影响了研究结果的可靠与否。但是有些时候，某些条件控制得过分严格会损伤研究的生态效度，为理论的推广带来了一定的阻力。110 大视野LARGEVR 技术的使用为心理学实验带来了变革性的发展。VR 带来的虚拟环境允许研究者建立一个受主试控制的环境，在这个环境中既可以有自然环境才有的光影、声音等实验室无法提供的条件，也有能够被主试控制以排除无关变量的便利。当个体在寻路过程中缺乏外部信息时，个体会使用与自身运动相关的信息来建立对自身位置、方向、速度等的认知，此过程被称之为路径整合。在现实生活中，为了排除环境信息而建立一个足够大的实验环境是很难实现的，因为外部世界的光照、声音等信息无时不在。而虚拟现实则为研究提供了极大的便利。过继成思等人在研究返回地点预知对路径整合的影响时创建了一个封闭的虚拟环境。在此环境中，除提示前进方向和返回点的标记以外，只有虚拟迷宫的墙壁（目的是提供光流信息以让被试产生移动的感觉）。结果表明，不论是返回起始点还是指定的某一地点，对目的地的预知均促进了被试的路径整合成绩。张为威等人则将目光集中在与寻路过程无关的因素上，利用 VR 技术研究预期对路径整合的影响。结果表明，当实际行走路线与被试的预期一致时，被试在路径整合的准确性上表现更好。以上两组实验通过虚拟现实技术，在实验环境下更好地控制了无关变量的影响，不仅得到了一个可信的结论，也为降低空间认知研究领域的实验成本提供了很好的例证。此外，VR 将虚拟环境、视觉系统和仿真系统三者合而为一，不仅使用计算机呈现一个逼真的视觉环境，还可以为用户提供真实或接近真实的动觉信息。这就为许多基础心理学的问题如空间认知、视觉引导的运动控制和视觉空间问题等带来了可以更深入探讨的可能性。Ruddle和 Lessels 两人做了一系列实验，研究了个体在真实条件和虚拟条件下的空间定向能力的差异。根据他们的实验结果，真实条件下个体的空间定向能力是最好的，完全虚拟条件（行走和转向均为虚拟的）下个体表现最差。如果允许被试在实验中进行真实的旋转动作，被试的表现和完全虚拟条件下没有差异。但是 Riecke 和 Bodenheimer 等人对此抱有疑问，因为他们发现，Ruddle 和 Lessels 的系列实验中，他们使用的视觉设备并不是统一的：允许被试自由行走的实验中，被试使用的是真实视角和虚拟头盔，而完全虚拟实验中，被试使用的是平面 VR 设备。除此之外，在所有实验中，目标物体的位置是固定的，虚拟实验环境和真实实验环境中的环境线索也有可能促进了被试的表现。所以Riecke 和 Bodenheimer 等人重新进行了实验。他们在整个实验中均让被试使用虚拟头盔（HMD），虚拟的实验环境也是完全没有环境线索的。此外，为了防止被试在实验进程中记住目标物体的位置，每一试次目标物体的位