黄憬彤

摘要

近年来，随着智能技术以及消费级GPU的出现，虚拟现实技术发展迅速，已经在汽车、电子、医疗、烟草等领域有了广泛应用。对于普通民众，对虚拟现实技术的了解可能仅限于概念或表层含义，因此本文简要分析了虚拟现实技术的发展历程和关键技术，着重论述了该技术在工业领域、教育领域、汽车辅助驾驶领域中的应用，期望能够让读者对虚拟现实技术有一个直观、具体的认识，从而推动该技术的发展和应用。

【关键词】虚拟现实 发展 虚拟现实应用

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种利用计算机产生多种输出信号来模仿真实的三维现实的技术，利用了计算机图形学、多媒体技术、即时定位与地图构建技术以及屏显技术等，使得用户可以与虚拟环境中的对象进行交互，从而产生身临其境的感受。

VR技术早在1960年就开始萌芽，1980至1990年代，NASA推出了实验性的VR初级设备，主要用于军事领域以及航空领域。2014年以来，由于相关电子芯片的价格下降，消费级GPU使得图形渲染能力的增强，VR技术逐渐被应用到了民用领域。作为一种先进的信号传递方式，VR具有沉浸感，交互性以及想象力的特征，可以让用户在一个模拟出来的环境中得到接近真实的环境反馈，被认为是下一代人机交互的关键技术。

1 虚拟现实技术的关键技术及产品构成

VR技术的关键主要包括VR渲染技术，VR屏显技术以及VR定位技术。在GPU的出现后，VR渲染的算力得到了极大的提升，但是仍然存在着价格较高等问题。当前该方面的研究集中在降低对硬件资源的消耗上，研究人员提出针对不同区域进行具有差别的渲染方法，相关代表技术为多重分辨率着色渲染技术以及焦点渲染技术。VR屏显技术目前还有较大的提升空间，目前主流的显示屏幕主要有LCD显示屏以及OLED显示屏，其中LCD显示屏有着较为严重的余晖现象，OLED显示屏中每个像素间存在分割网络的问题。VR定位技术主要可分为激光SLAM以及视觉SLAM，其中激光SLAM具有较为完善的技术，但是设备成本较高，应用场合不够广泛。当前发展较快的是视觉SLAM的方法，根据摄像设备的不同，主要方法包括单目摄像头，双目摄像头，深度摄像头等。

VR产品的组成包括计算核心，交互终端以及辅助设备这3个部分。VR产品的计算核心用来实现VR应用的图形渲染、数据的处理以及储存、逻辑运算等。计算核心的硬件通常包括CPU和GPU，软件主要是实现渲染算法的程序和数据库程序。交互终端实现和用户的交互，其输出图形的设备通常是眼镜模式或者是头盔模式，包括显示屏幕，光学镜片以及陀螺仪等。辅助设备实现对用户的定位，同时通常会为其增加动作捕捉的设备，从而实现对用户输入逻辑的判断。

2 VR技术在建筑领域的应用

在建筑领域中，虚拟现实在建筑设计环节具有独特的优势。在建筑设计中，通过虚拟现实技术，可以将设计人员的构思实时形象的展示出来。与传统的展示方法的区别是，采用虚拟现实技术可以提供更具有真实感的三维图形，还可以提供声音，气味，触觉等多种信息，方便设计人员工作。此外，通过全方位的展现设计成果，能够使得评审专家以及客户对设计有更真实的感受，从而提出更具体的，更有针对性的意见。因此，采用了虚拟现实技术的建筑设计工作可以更容易得到高质量的成果，减少设计者的工作强度，提升工作效率，减少设计周期，提升客户满意度。

在建筑施工中，虚拟现实也有重要的作用。现代建筑是在三维空间中进行的复杂操作，传统的基于2D的CAD对此类复杂空间结构的表现力比较差。而采用虚拟现实技术后，可以在在3维空间中对复杂的结构进行动态的，分层的表现，方便施工人员理解施工计划。如果遇到了某一个工程具有多种施工方案，可以采用虚拟现实技术，结合计算机辅助设计可以对施工方案建模，从而进行评估，通过这种方式，能够对一下不确定的因素进行事先的估计，对其影响可以进行预判，从而为整个项目找到最优的方案，避免工程失败的经济损失。

在建筑裝修领域中，虚拟现实可以发挥非常大的作用，相比通常的利用多种平面图展示设计效果，利用虚拟现实技术的展示方式更全面和主动。通过将房间进行建模，可以方便设计人员在装修空间内进行布置，同时客户可以实时看到设计效果，快速的对设计给予反馈。这种工作方式可以加快设计，加强设计人员与用户的沟通。此外，通过对组件建模，可以得到更精准的费用估计，使得设计时更好的平衡设计效果与费用。总之，采用虚拟现实之后，设计人员与客户之间的关系从之前的静态的关系变为了可以实时反馈的动态的关系。

3 VR技术在教育领域的应用

在教育领域中，长期以来的教学是通过文字和声音信号进行的。在演示文稿等广泛使用之后，知识的传递迁移到了图形和视频信号。随着虚拟现实技术的发展，教学可以通过视觉，听觉，触觉等多种通道进行信号的传递。通过这种方式，可以增强老师授课的表现力，避免因为概念复杂导致的学生难以理解的情况，同时多种感官同时进行信息接受可以促使学生集中精神，使得记忆更持久。在虚拟现实环境中，学生门可以在沉浸的环境下进行学习，能够在老师设置的逼真的知识情景中更好理解知识。

利用虚拟现实技术可以对传统的实验方式进行补充，针对危险性较高的实验，需要复杂实验装置的实验，花费经费或者时间较长的实验等，传统的实验方式难以解决学生对相关实验操作的问题，而模拟实验尽管可以模拟部分实验步骤和实验现象，但是缺乏沉浸感，实验效果较差。虚拟现实技术为此提供了较好的解决方案，在虚拟现实的环境中，学生们可以在安全的情况下模拟危险的实验操作，每一个操作所得到的反馈都和真实的实验环境相同。利用虚拟现实环境，学生们可以多次重复在真实实验环境中无法进行的操作，快速完成真实环境中需要长时间才能成功的实验。通过虚拟现实环境，学生们可以将精力集中与课程核心的概念以及操作中，避免将精力分散在实验准备等琐碎的事情中。

总之，虚拟现实技术有利于学生更好的吸收知识，提升学生们对知识的兴趣，训练学生们的想象力。通过在虚拟现实环境中添加多种虚拟的激励机制，学生们可以更好的集中精神，更好的与老师交流，完成课程目标。虚拟现实与教学的结合同时不受限于时间与地点，通过将课堂布置到网络上，可以使得全世界的学生享受到成本低廉的生动形象的课程。

4 无人驾驶地铁中的应用

当前地铁发展的主流趋势是无人化，针对无人地铁，其设计，运营，维护等多种方面都依赖于虚拟现实技术。通过虚拟现实技术，可以突破物理资源环境的限制，避免繁琐的设计步骤，降低工程的时间成本。

在设计无人驾驶地铁的过程中，如果采用虚拟现实技术对硬件设施进行建模，可以使得设计人员对列车应用的场景有一个更全面的认识，通过将场景与地铁设计进行融合，设计人员可以动态的了解自己的设计在虚拟环境中的运行情况，观察到车辆在行驶过程中的各个部位以及各个重点结构，从而有针对性的研究运行过程中受力较大，变形较大的危险截面的动力学性能。利用列车虚拟设计，可以样机验证前发现尽可能多的设计缺陷，从而避免传统设计步骤中长时间的代价昂贵的物理样机实验。

无人驾驶列车作为一个复杂的系统，其装配过程非常复杂，传统的装配方式需要装配人员花费较多的时间进行学习和演练，而实验平台的搭建需要较大的前期投资，且物理平台训练速度较慢。通过虚拟现实技术，使得工作人员在一个接近真实的环境中进行装配，从而检查各个零部件之间的配合程度，还可以通过虚拟现实技术对员工进行培训，实时评价装配效果，提高装配人员的能力，避免传统的现场装配训练所占用的大量硬件资源。

无人驾驶列车的测试在传统的工程实践中需要消耗大量的时间，但是测试效果并不明显，难以检查出所有的风险。如果采用虚拟现实技术进行虚拟验证，就可以压缩验证所需要的时间，利用多次验证来覆盖更多的测试条件，发现更多的问题。此外，引入虚拟现实技术后，可以对测试中的列车的运行状态，各个部件实时状况进行观察，找出容易出现问题的薄弱环节，降低了真实运行的风险，也可以在实际运行时有针对性的提出针对易发生问题的预案，方便工作人员在遇到突发状况后能够快速进行处理。

维护环节是无人列车整个生命周期中重要的一环，他可以保证列车平稳安全的运行。大城市中无人驾驶地铁的任务非常繁重，其保养时间较短，这就要求进行保养工作的人员具有大量的经验，有熟练的操作技能。如果引入虚拟现实技术，一方面，维修人员可以在虚拟环境中进行训练，另一方面，一旦列车发生故障，维修人员通过虚拟现实技术可以快速判断故障位置。

5 虚拟现实在石油领域的应用

石油领域作为一种资金，技术，劳动力密集型的产业，引入虚拟现实技术后，可以充分节省资金，加快前期准备工作，节省时间。通过对地层资料进行模拟与展示，工程人员不再需要面对枯燥的单维数据，只需戴上头盔和数据手套，面对地下构造或圈闭的三维透视图像，用数据手套操纵虚拟对象，选择不同的方向和路线进入到构造或圈闭内部做深入的“游览”。在鉆井轨迹设计及油井规划中引入虚拟现实系统，可以实时进行钻井勘探分析、钻井设计、钻井轨迹跟踪，钻井人员可以简单、直观地浏览和查询，快速识别钻井问题，及时做出更好的决策。在石油勘探及开采过程中，如果引入虚拟现实技术将石油勘测的探测数据，石油开采的操作及工艺流程以三维可视化的图像形式表现出来，更加直观和立体的展示信息，为分析和决策提供便捷。此外，还可以在石油化工工艺模拟中使用虚拟现实技术，将石油炼制等工艺进行三维虚拟可视化展示，如石油油水分离技术三维互动虚拟演示等多种化工工艺流程虚拟演示，有利于优化石油加工流程。虚拟现实技术可以根据客户需求，制定专业的石油装备操作培训系统，完全真实的模拟石油装备的操作流程和使用方法，更好的培训技术工人。还可以针对石油石化行业在运行操作过程中存在的高危高难度的，对员工的技术要求和熟练程度有很高要求的工程为员工提供虚拟培训环境，适应各类平台作业。

参考文献

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