张芸强，钱坤，李焕良

（陆军工程大学野战工程学院，江苏 南京 210007）

虚拟现实是由多门学科交叉而形成的新兴领域，其核心是构建数字化环境，并让体验者可以借助某些特殊的设备和数字环境中的对象进行交互，使得体验者产生真实的感觉，它主要研究领域包括数据获取、分析建模、绘制呈现、传感交互四个方面。随着计算机算力不断地提高、计算机图形学不断的发展、人机交互等技术不断的迭代更新，加上人工智能、云计算、边缘计算、5G等技术的辅助加持，现阶段的虚拟现实技术正处于一个高速发展的时期。

虚拟现实技术具有颠覆性，它改变了人们体验虚拟世界的方式。人们不再局限于二维显示，而是通过三维显示来感受虚拟世界，体验的真实感有了极大提升；交互方式也有了极大的改变，过去主要以键鼠方式进行信号输入，而虚拟现实技术则通过手势捕捉、眼球追踪等技术手段捕捉体验者自然形体动作，分析判断其意图并产生相应交互，从而实现自然交互方式；同时，虚拟现实技术也将人们的视野极大地拓展，过去由于屏幕限制，可看视角极其有限，现在人们不仅可以体验到360度全景显示，而且显示的画面也会和人们的行动产生联动；虚拟现实技术的颠覆性还在于其便携性，如今虚拟现实技术的生产厂商都在致力于可穿戴设备的研究，在未来这一类设备势必会“无感化”。

1 虚拟现实的概述

虚拟现实英文名称Virtual Reality，缩写为VR，又称灵境技术，是指以计算机技术为核心、结合人工智能、光学、运动学等相关技术，借助一些特定的交互、运算和显示设备，生成逼真的、具有视觉、听觉和触觉的虚拟环境，用户在虚拟环境里与虚拟物体进行实时交互，使用户沉浸其中，并产生身临其境的感官体验。虚拟环境是由计算机运算、模拟出来的色彩鲜明的立体视景，它可以是某一真实世界的再现，也可以是基于真实世界的一种改变，甚至是纯粹构想出来的虚拟世界。

虚拟现实具有调沉浸性、交互性和想象性等3个方面特性。沉浸性是指用户借助显示、音效等设备将自己的视觉完全融入计算机营造的虚拟环境，用户感觉自己已成为虚拟环境的一个组成部分，从而从被动的观察者变成了主动的参与者。虚拟现实注重人与虚拟世界之间通过自然方式进行交互。即人通过借助数据手套、力反馈器等一些特殊的交互设备与虚拟世界进行交互，如用手抓取虚拟世界的物体，会感觉与真实世界抓取物体一样具有重量、外形等感知，人甚至会忽略计算机的存在。想象性是指虚拟环境是由人凭空想象出来的，这些想象出来的虚拟环境体现出设计者一定的实现目标及思想。

2 虚拟现实的发展史

虚拟现实的起源最早可以追溯到20世纪60年代，Sensorama仿真模拟器的诞生，如图1所示。它是由被誉为虚拟现实之父的Morton Heilig发明，此模拟器集成了3D显示器、风扇、气味发生器、振动椅等，可以刺激用户视觉、听觉等多个感官系统。Sensorama是一个虚拟现实下的原型机，只能播放事先拍好的视频，用户只能被动的接受，缺乏人机之间的互动。后来，虚拟现实经历了几十年的蛰伏期，虽然陆续有些改进的产品诞生，但是，人们对于这类产品并没有明确清晰的定义。1989年，美国的Jaron Lanier首次提出了虚拟现实的概念，并随后他所在的VPL公司开发出传感手套“DataGloves”和头显设备“EyePhoncs”，才让虚拟现实作为一个较为完整的体系被人们极大关注，随后，虚拟现实便进入了高速发展的时期。

图1 Sensorama仿真模拟器

进入20世纪90年代，虚拟现实逐步开始走向成熟，在随后的10多年里，日本的任天堂公司推出“虚拟男孩”虚拟现实游戏，其他公司也纷纷效仿开发关于虚拟现实的产品，但由于高昂的售价和简陋的性能，为之付钱的人少之又少，所以这些产品让虚拟现实一直流离在大众视野之外，未能掀起大的波澜。2012年，Oculus公司在Kickstarter网站上筹得250万美元，并随后的几年里不断推出虚拟现实设备，同时也将虚拟现实设备的价钱降到了300美元，这让很多人有能力购买，虚拟现实设备逐渐进入大众视野。2014年，谷歌公司发布 Google CardBoard，三星发布了GearVR，另外，苹果、索尼等也相继发布了虚拟现实设备。这时的虚拟现实已经成功走向了商业化，越来越多的人也意识到它的广阔前景，虚拟现实向不同行业、领域渗透。

3 虚拟现实的应用

随着虚拟现实不断的普及，其应用也逐步地涉及各个行业、领域中。在教育中，教育者利用诸如虚拟实验室、虚拟课堂等虚拟现实系统提供给受教育者一个更加直观、能呈现多维信息的教学模式；在建筑行业中，虚拟现实被大量应用在建筑设计的阶段，将复杂的建筑图纸以一种直观形式呈现，设计者还可以和虚拟建筑进行诸如行走、操作设备、改变装饰等交互，让设计者更加容易发现设计中的不足；在军事领域中，虚拟现实被广泛运用尤其是军事训练等方面，其优势在于它可以有效地规避军事训练中伴随的危险，并且虚拟军事演习也可以减少真实演习所带来的军费开支。由于虚拟现实应用的领域过于繁多，以下只对虚拟维修训练这一包含教育、军事、航天等多个领域的虚拟现实应用作详细阐述。

虚拟维修训练是虚拟现实应用重要的应用领域，最早由美国在20世纪90年代提出，随后得到快速发展，许多国家的军方、科研机构和企业都高度重视，将其视为作为大型、复杂、先进装备的维修保障手段进行研究。基于虚拟现实，搭建以计算机及相应的软硬设备为交互平台，并以维修训练为目的的虚拟维修训练系统，可以为部队装备提供一个“实地的”“实时的”“实装的”新兴训练手段。由于这项技术是开放的，开发人员可以根据具体训练要求实时调整虚拟维修方案或者内容，这也就意味着它可以不断地更新，以长期发展的角度来看，具有极大的经济效益和良好的实时性。

基于上述优势和应用前景，虚拟维修技术在航空航天、大型武器装备上的研究和应用较多。20世纪90年代初，美国天文学家发现哈勃望远镜的光学系统存在问题，其生成的图像有变形的缺陷。由于问题的特殊性，操作人员无法直接在现实情况下进行维修训练，美国航天局（NASA）决定采用新型维修训练方式，如图2所示。

图2 哈勃望远镜（HST）的修复与维护

通过虚拟仿真哈勃望远镜在太空中的运行环境，宇航员可以像在真实的太空里一样，对哈勃望远镜实装模型进行维修，熟悉操作流程，学习应对各种可能的突发状况，完成各种模拟的维修任务。从1993年9月到1993年12月，有100多名宇航员参加了哈勃望远镜的维修任务训练，取得了巨大成功。这一任务的完成，说明虚拟维修训练对装备维修任务的完成是非常有效的，让各国看到了虚拟维修技术在高、新、尖装备上的运用，促使各国加大对虚拟维修训练系统的研究，使得该技术在航天航空、舰船、车辆等设备上有运用。

美国、德国、日本诸多大学和研究所，先后在虚拟维修技术研究上投入大量人力、物力开展研究，许多相关技术及设备已趋近成熟。例如，美国弗吉尼亚大学针对机械维修零件拆卸问题进行了研究，引入蚁群算法、序列矩阵等方法进行机械零部件拆卸分解解算，优化计算机虚拟拆卸路径，使得操作步骤最优、最少。日本的Osaka大学研究中心研究的机械装配可视化技术，通过光学捕捉和视觉识别，可以在使用者进行机械装配过程时，提供虚拟装配过程，已进行装配准确性比对，可用于机械装配操作训练和评价。在国内，虚拟维修技术的独特优势已引起政府部门、企业、高校的高度关注。许多高校已将相关内容纳入教学课程，面向职业教育、医疗、车辆、船艇、飞机、武器装备的各类使虚拟维修应用系统层出不穷。2013年开始，教育部在全国范围内开展国家级虚拟仿真实验教学中心和仿真实验项目建设，已先后投入建设300余个国家级虚拟仿真实验教学中心，各省教育厅也建设了一批省级虚拟仿真实验教学中心，有效推动了虚拟维修技术在国内的发展和应用。

4 发展趋势

近几年，教育部提出实施一流课程建设“双万计划”，即“金课建设”计划，致力于建设五大类型“金课”，虚拟仿真技术就是其中一个重要类型，而作为虚拟仿真技术的重要分支，虚拟现实技术充分体现了“智能+教育”的新教育理念，势必在未来的“金课”建设进程中起到举足轻重的作用，也将成为“金课”建设的主流发展趋势。