文/张重 宿小阳

VR技术的应用

文/张重 宿小阳

VR（虚拟现实）是近年CES（消费电子展）最受关注的话题之一。市面上VR产品众多，其中HTC Vive是目前最高端的VR头戴式显示器（简称：头显，Head Mounted Display）。笔者记录了首次使用Vive的基本流程和所作的准备工作，精心挑选了VR在游戏、旅行、设计、医疗、视频、教育（培训）等各个不同领域中，最有代表性的多个应用（app），在切实感受VR带来的震撼体验之余，详细分析了配合Vive使用的多个应用的特点，深入总结了Vive头显目前存在的问题。通过观察VR在教育领域应用的现状，思考了VR在教育（培训）领域发展的未来。

VR HTC Vive 首次体验

VR（Virtual Reality，虚拟现实）是2016年度消费类电子产品行业最火的关键词之一，VR业内也将2016年公认为VR元年。这一年，VR从年初火爆的媒体宣传到年中各大厂商旗舰产品纷纷上市，再到年末风投热潮过后逐渐平静的资本市场转向追求内容为王，消费者仿佛过山车一样体会到了VR前所未有的爆发和冲击。

1 VR是什么

虚拟现实，英语为virtual reality，缩写为VR，简称虚拟技术，也称为虚拟环境，是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉等感官的模拟，让用户感觉仿佛身历其境，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。用户进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的三维世界视频传回显示设备，以此产生临场感。

简单说，VR通过由计算机模拟视觉、触觉、听觉的交互设备让人在虚拟场景中产生沉浸感，仿佛置身于真实环境一样。

VR在上世纪90年代，就已经有了成型产品，比如军用领域的作战训练、飞机研发和飞行员训练、汽车研发中的虚拟样车。只不过价格高昂，没有民用普及。而近年来火爆的VR是实用的民用VR技术，只有带头部追踪功能的头戴式显示器，只能有限的模拟视觉感官。但是其价格降低到了普通消费者也可以接受的水平，由此产生了一系列的市场反应。

2 VR的主要产品

目前，VR在移动端的代表产品有Google Cardboard，Samsung Gear VR。针对PC端的代表产品有Oculus Rift，HTC Vive。针对游戏主机的代表产品有PSVR。

移动端的产品又可分为插片式和一体机，前者需要在VR设备上插入手机作为显示设备，后者相当于把手机和VR设备整合在一起，成为头戴式显示设备。针对移动端开发VR设备的厂商众多，产品参差不齐。

3 HTCVive的真实体验

HTC Vive是目前最贵的VR设备。英文vive/vi:v/本意是万岁，不过在HTC的新品发布会上，V大写之后，Vive发音为 /vaiv/，是HTC与 Valve（注：目前最大的电子游戏制造商）合作推出的虚拟现实显示设备，也是目前市面上最高端的头显。突出的优点是支持房间内的精准动作捕捉。优势在于Valve旗下Steam游戏平台（注：目前全球用户量最多的电子游戏平台）上有HTC Vive可以享用的丰富内容。

3.1 HTC Vive的基本配置

如图1所示，HTC Vive标准消费者版本中包含一个内置前置摄像头及Vive电话服务的VR头显，两个无线VR控制手柄，整套空间定位传感装置（两个定位器），特别为预订用户限时免费提供的三款VR应用。

图1：HTC Vive

Vive头显的左右眼分别为一块1200×1080的AMOLED屏幕，加在一起双眼分辨率为2160×1200。最低帧率为90FPS，视场为110°。兼容大多数标准规格的眼镜，自带可调节头带和两个可选面部衬垫，可调节瞳距和目视间隙。

Vive头显装有32个定位感应器，一个前置摄像头。为了让体验不中断，Vive内置的Chaperone 系统在玩家接近游戏区边缘时会显示网格线，提醒玩家到达虚拟空间边界。也可以通过前置摄像镜头在虚拟世界里叠加看到现实中的物理物体。这样，玩家沉浸在虚拟现实中时，不摘掉头显，也可以同时看到真实世界的情况。

2个定位器覆盖360°，支持在对角线长度至多5米的长方形区域里进行精密动作捕捉，比如3.5米×3.5米的空间。

2个可充电的无线控制器，即游戏手柄，各有24个定位感应器，提供了360°厘米级的精密动作捕捉。内置可充电的960毫安时锂离子电池，搭载了二段式板机、多功能触摸板和高清触感反馈。

图2：HTC Vive游玩区play zone

图3：The Blu

图4：Google Tilt Brush

3.2 使用Vive的硬件准备

Vive必须搭配电脑使用，对电脑配置要求很高，Vive官网给出的PC最低配置是：

GPU：与NVIDIA GeForce® GTX 970、AMD Radeon™ R9 290 性能相同或更佳

CPU：与Intel® i5-4590、AMD FX 8350性能相同或更佳

RAM：4GB或更多

视频输出：HDMI 1.4、DisplayPort 1.2 或更高USB端口：1 个USB 2.0 端口或更佳端口操作系统：Windows 7 SP1、Windows 8.1或Windows 10

3.3 安装基站，准备游玩区

如图2所示，游玩区既指玩家体验Vive的真实空间，也指VR的虚拟边界。玩家与虚拟现实物体的互动都将在游玩区中进行。在游玩区里自由活动是Vive设计的初衷和特色，Vive也可用于静止不动的站姿和坐姿体验。

HTC Vive支持在对角线长度小于5米的空间内进行动作追踪，最小空间不能小于2米乘1.5米。玩家如果想体验运动中的虚拟现实，就必须事先准备出足够大的真实空间。

两个激光定位器需要固定于房间对角线的两端，外接电源，使用无线方式进行数据传输。如果房间内障碍物多，在两个定位器间可以加装同步传输线，保证动作捕捉的精准度。

通过串流排连接头显与电脑，一共有3根线，视频线HDMI，数据线USB及音频线Audio。Vive也提供无线连接模块，需要额外购买，Vive官网声称正式产品将于2017年第一季度上市。

支持力回馈的游戏手柄通过无线连接，需要充电后才能使用。

3.4 Vive软件安装和调试

硬件安装完成后，联网访问Vive官网www.vive.com，在线安装Vive及SteamVR软件。

安装过程中，需要先更新显卡驱动到最新版本。

安装完成的Vive软件，相当于是应用程序商店，提供各种VR游戏下载。SteamVR是Vive设备的硬件管理软件。用户也可以访问Valve旗下的steam网站，安装Steam客户端，下载更多VR游戏及相关资源。支持多种支付方式，其中包括大陆最时髦的支付宝和微信支付。

3.5 穿戴Vive

穿戴Vive头显前，需要事先测量用户的瞳孔距（IPD），调节头显旋钮，以保证两眼看到正确的三维显示结果。Vive可以调节头带松紧以保证穿戴舒适。平时戴眼镜的用户，戴着眼镜也可以穿戴Vive头显，Vive也支持定制专门的Vive近视或远视镜片。

在电脑上启动安装好的SteamVR，Vive或Steam，玩家就可以戴好Vive头显，进入虚拟现实的世界了。

4 有意思的VR内容

4.1 Vive自己的体验教程

第一次使用VR的人，刚刚戴好头显，仅仅看到环绕四周的星空，就开始惊呼了。见到教自己使用手柄的机器人已经吓了一跳。原来VR真的这么真实。

4.2 The Blu，上市时间2016年4月，75RMB

如图3所示，潜身深海，蓦然回首，发现巨大蓝鲸正回眸看你的瞬间，体验者全身心感受到VR的震撼效果和巨大潜能。可以说TheBlu是诠释VR沉浸感的最佳应用，没有之一。

4.3 Nvidia VRFunhouse，上市时间2016年7月，免费

在一个虚拟的嘉年华中，有7个小游戏。射击，射箭，拳击……任何一个都可以充分感受HTC Vive游戏手柄的交互功能。

必须使用NVidia（中文名称：英伟达）显卡，使用其他显卡不能正常运行。推荐使用GTXTi1080以上配置，可以充分利用NVidia高端VR显卡来提升显示性能，最大化图像质量。GPU多核心可以平行工作，一颗核心渲染左眼，一颗核心渲染右眼。实时渲染，着色加速。固体碰撞，流体影响，火焰，爆炸，烟雾，毛发等物理特效都可以做到最好。NVidia还提供了开发工具包，开放源代码，帮助用户自行开发。NVidia VR Funhouse为开发者提供了很好的开发样板。

4.4 The Lab，上市时间2016年3月，免费

The Lab是Valve公司开发的一系列VR示范游戏的合集。提供了多种不同的VR体验享受，来探索虚拟现实的无限可能。

其中的Slingshot（打弹弓）和Longbow（射箭），是所有VR体验馆必备的游戏。

4.5 Tilt brush，上市日期2016年4月，88RMB

如图4所示，Tilt Brush是Google公司推出的在虚拟现实里使用的三维绘画软件，是设计界目前最炫酷最时髦的应用。能立体作画，从各个角度看自己的画作，给艺术家带来无法比拟的美好感受和全新的创作手段。

4.6 Fruit Ninja VR，上市日期2016年7月，48RMB

图5：Engage

图6：VR Class

Fruit Ninja（水果忍者）在触屏时代刚刚开启的时候，就风靡全球，成为了最适合触屏操作的游戏。进入VR时代后，水果忍者用最直接最舒适的方式让不同年龄不同水平的用户都能体验到真正的虚拟现实游戏，双手持刀（游戏手柄），在3维虚拟世界里面切开环绕身体360度的水果，用刀背挑开炸弹时，手柄的力回馈，让玩家深刻感受适合VR操作模式的游戏，是怎样一种愉悦的体验。

4.7 Everest VR，上市日期2016年8月，48RMB

Everest VR是旅行类应用的标杆。以第一人称视角，用照片级真实场景，带来登顶珠穆朗玛的亲身体验和绝无仅有的心灵震撼。包含5个场景：山脚营地，恐怖的Khumbu冰瀑，在4号营地过夜，惊险的Hillary天梯，成功登顶。还可以解锁上帝视角，感受只有VR里才能体验的喜马拉雅。

4.8 The body VR: Journey inside a cell，上市日期2016年10月，免费

The Body VR支持多种语言，有中文字幕和解说。伴随着悦耳动听的讲解，玩家将缩小到和病毒一般大小，进入人体内部，从心脏开始，随着血液的流动旅行，360度观察血红细胞如何工作，如何运送氧气到达全身的各个角落。亲眼见证器官的运行、血液的流动、细胞的结构，以及免疫系统和病毒的战斗。一段10分钟左右的亲身感受，胜过任何枯燥的医学课本。

4.9 IKEA VR Experience，上市日期2016年4月，免费

宜家厨房的虚拟样板间，支持互动，甚至可以炒菜。实时比较橱柜使用多种不同材质的饰面效果，还能以儿童的视角体验整个厨房。

4.10 Vive Video，上市日期2017年3月，免费

Vive Video（虚拟影院），可以在VR头显上观看3D，180˚和360˚全景视频。几乎各大视频网站都推出了自己的VR版，并积极的筹备自己的VR内容。爱奇艺，优酷，搜狐，乐视，暴风影音等在视频解码方面，各有千秋。无人机厂商大疆（DJI）拍摄了非常多的全景视频资源，使用Vive体验这些内容，犹如雄鹰在苍穹翱翔，俯瞰大地，非常震撼。

4.11 Engage，上市日期2016年3月，免费

如 图5所 示，Engage是Immersive VR Education公司开发的免费使用的教育和演示平台，通过VR技术分享创意和传授课程。方便结合多种途径进行分享，可交互的VR教室同时允许最多30人互动，教师能对学生进行实时指导，可以多种方式记录课程内容。

阿波罗11号VR，牛津大学的VR远程医疗救助Demo，泰坦尼克号VR等著名的VR获奖作品都出自此公司之手，显示出Engage平台的巨大潜力。

当前，VR内容的开发目前较多使用Unity3D和Unreal两种游戏引擎，众多创业者都在积极的尝试开发VR内容。HTC也希望借助Valve旗下的Steam提供技术和内容支持的同时，将Vive及动作捕捉系统开源，方便更多开发人员开发Vive应用。打造像苹果手机iPhone及苹果商店AppleStore一样的产业生态链。

5 教育应用的观察和思考

2016年，浙江省高考作文是“当虚拟世界里的‘虚拟’，越来越成为现实世界里的‘现实’，你是选择拥抱这个世界，还是可以远离他或者保持适当的距离？”当时很多考生根本还不知道虚拟现实是什么。由此激发诸多教育从业者对VR的深入观察和思考。

传统教育存在一定的局限性，书本上文字记录的知识完全依赖学生的自我理解和想象，多媒体教学在交互性上难以满足教与学的互动需求，教学的资料内容和展现形式相对单一。而VR的沉浸式体验和交互提供了一种近乎有着无限可能的全新教学方式。

作为教育领域革命性的新事物，VR迅速成为行业关注的焦点，国内在线教育的竞争已经白热化，VR不仅刺激了线上，还直接进入线下。

新生的VR教育创业公司在开拓市场，传统的教育公司开发VR教育内容，各大互联网公司布局VR教育，诸多传媒公司涉足VR教育，不断有高校组建VR实验室，以AR/VR为特色的早教公司已然成型，VR在专业人才培训方面的应用日趋成熟。可以说，VR已经侵入了从早教，学前教育，小学初中的义务教育（K12），高中大学的科班教育到职业教育和出国留学培训的全系统和全流程。

VR在教育领域的应用目前主要有两方面：一方面是数学，几何，物理，化学，生物，天文，地理等传统意义上的理科课程，比如生物细胞的变化、化学反应的过程、天体运行的规律、地质运动的变迁等，VR能更好的帮助学生学习常规课堂上人眼无法直接观察的领域；另一方面是实际动手操作的训练，尤其是操作设备非常昂贵的行业，比如汽车专业的学生学习发动机的内部结构和维修操作，飞机驾驶员真正飞上蓝天前的模拟训练，VR教学和训练都能直接节省成本。

按照中国应试教育的特色，目前很多VR教育都是以体验沉浸感来激发学生的学习兴趣和培养学生的爱好作为主打优势，这也就决定了VR对于全日制教育来说，很可能将一直是以课外兴趣小组的形式存在下去，然而这并不能充分体现VR相对于传统教育模式的优势。同时，执行全日制教育的主体——学校作为政府财政预算行政体系下的单位，在VR教学中的资金投入非常谨慎。

相对而言，以技能培训为主的职业教育，在国家大力发展职业教育的政策支持下，或许存在更多的可能性。

图7：Orient and Letv

图8：VR Medical

图9：Excavator Training

以国外市场为例，VR技能培训已经颇受追捧。例如主打各种企业课程技能培训的在线学习平台OpenSesame在已经拿到1000万美元的基础上，最近又完成了900万美元的融资。教育服务机构MEL，开发VR/AR交互式化学仪器，获得250万美元投资。

国内最火的技能培训是语言。乐视教育与新东方合作的VR英语教学课程就在探索VR的教学效果。使用全景视频录制课程，学员以观看VR直播的形式享受老师讲课，还可以切身感受小班授课的课堂讨论氛围，如图7所示。

虽然，在线教育的自学完成率很低，通常第二堂线上课程的点击率相比于第一堂课直线下降，完成全部自学课程者更是寥寥无几，尽管如此，在线教育的形式依然被认为是未来重要的教育方式之一。而VR将为职业教育提供无限遐想的可能，不论是线上还是线下。

笔者认为，VR将在以下方面进一步渗透并取得阶段性成果：

（1）专业培训：军事训练，如飞行员训练，无人机驾驶，跳伞，射击等；医疗培训，如外科手术演练。

如图8所示。

（2）技能培训：体育竞技培训，如冲浪、滑雪等各种极限运动；汽车驾驶培训，如考驾照，专业设备操作培训，如挖掘机。

如图9所示。

（3）安全教育：火灾、地震等灾难预演的逃生演习。

游戏和教育，一向被业内公认为是VR的垂直领域，而教育产业的规模无疑远远大于游戏产业。以我国在线教育为例，预计2016年，规模将逾1400亿元，同比增长超过20%，人数达到8700万人。根据欧洲教育科技组织Edtech Europe《2016教育科技趋势报告(2016 Edtech Trends)》，目前全球教育开支超过5万亿美元，是软件产业的8倍，是媒体娱乐产业的3倍。全球教育支出预计以每年8%的速度增长(高于全球GDP年增长的4%)，到2020年达到8.1万亿美金。

Edtech Europe在报告中指出，按照地域来分，亚太地区增速最快，年增长率达到20%，2020年将占据全球教育科技市场的54%。中国是新型教育技术的领先者和关注的焦点，2020年中国家庭的教育费用开支将超出现在的6倍。

在教育发展的浪潮中，VR站在了风口，VR将让学习者“学的更快，记的更牢，干的更好”（Learn faster, remember longer, and decidebetter）。

[1]程聪,刘书香.高职院校虚拟现实核心课程体系的建设[J].北京工业职业技术学院学报,2017(04).

[2]2016年科技产业十大趋势风潮VR虚拟实境排名第一[J].电子工业专用设备,2016(02).

[3]黄鑫.基于VR技术的虚拟教学应用研究[J].江西教育学院学报,2008(06):50-52.

[4]张强．数字时代下VR技术带给艺术设计教育的嬗变[J].设计教育,2017(04):102-103.

[5]余华鸿.虚拟现实技术的应用现状及发展[J].信息技术,2002(04):181-182.

作者单位北京首钢工学院信息工程系 北京市 100144