1.2　什么是虚拟现实

1.2.1　虚拟现实的概念

虽然虚拟现实（Virtual Reality，VR）相关技术和思想发展了很多年，但“Virtual Reality”作为一个完整的科学技术专用名称，还是在1989年，由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）首次提出的。拉尼尔认为，“Virtual Reality”指的是由计算机产生的三维交互环境，用户参与到这些环境中，获得角色，从而得到体验^[1]。

之后，许多学者对Virtual Reality的概念进行了深入探讨。Nicholas Lavroff在《虚拟现实游戏室》一书中将虚拟现实定义为：使你进入一个真实的人工环境里，并对你一举一动所做的反应，与在真实世界中的一模一样。

Roy S.Kalawsky在《虚拟现实与虚拟环境科学》一书中说，虚拟现实是“一种合成的传感体验，它把物理的或抽象的部件传递给人或参与者”。

Ken Pimentel和Kevin Teixeira在《虚拟现实：透过新式眼镜》一书中，将虚拟现实定义为：一种侵入式体验，参与者戴着被跟踪的头盔，看着立体图像，听着三维声音，在三维世界里自由地探索并与之交互。

L.Casey Larijani在《虚拟现实初阶》一书中认为，虚拟现实潜在地提供了一种新的人机接口方式，通过用户在计算机创造的世界中扮演积极的参与者角色，虚拟现实正在试图消除人机之间的差别。

我国学者对虚拟现实技术投入了巨大的研究热情。我国著名科学家钱学森教授认为，“Virtual Reality”是指用科学技术手段向接受的人输送视觉的、听觉的、触觉的以至嗅觉的信息，使接受者感到如亲身临境，但这临境感不是真的亲临其境，只是感受而已，是虚的。为了使人们便于理解和接受“Virtual Reality”技术的概念，钱学森教授按我国传统文化的语义，将VR技术称为“灵境”技术^[2]。

我国著名计算机科学家汪成为教授认为，虚拟现实技术是指在计算软硬件及各种传感器（如高性能计算机、图形图像生成系统、特制服装、特制手套、特制眼镜等）的支持下生成一个逼真的、三维的，具有一定视、听、触、嗅等感知能力的环境。使用户在这些软硬件设备的支持下，能以简捷、自然的方法与这一由计算机所生成的“虚拟”世界中的对象进行交互作用。它是现代高性能计算机系统、人工智能、计算机图形学、人机接口、立体影像、立体声响、测量控制、模拟仿真等技术综合集成的结果，目的是建立起一个更为和谐的人工环境。

我国虚拟现实领域的资深学者、工程院院士赵沁平教授认为，虚拟现实是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境。用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。虚拟现实是人类在探索自然、认识自然过程中创造产生，并逐步形成的一种用于认识自然、模拟自然，进而更好地适应和利用自然的科学方法和科学技术。

综上所述，虚拟现实指采用以计算机技术为核心的现代高新技术，生成逼真的视觉、听觉、触觉等一体化的虚拟环境，参与者可以借助必要的装备，以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互，并相互影响，从而获得等同真实环境的感受和体验。

1.2.2　虚拟现实的特征

1993年，迈克尔·海姆（Michael Heim）在《从界面到网络空间——虚拟现实的形而上学》一书中，总结了虚拟现实的7个特征，分别是：模拟性（Simulation）、交互作用（Interaction）、人工现实（Artificiality）、沉浸性（Immersion）、遥在（Telepresence）、全身沉浸（Full Body Immersion）和网络通信（Networked Communication）。

1994年，Grigore C.Burdea等在《虚拟现实技术》一书中提出“虚拟现实技术的三角形”，简明地表示了虚拟现实的三个最突出的特征，分别是沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination），即虚拟现实的“3I”特征，三者缺一不可。自此，“3I”特征成为学界和业界公认的虚拟现实的基础特征。

“3I”特征具体如下。

（1）沉浸感

指参与者在虚拟环境中，获得与现实环境中一致的视觉、听觉、触觉等多种感官体验，进而让参与者全身心地沉浸在三维虚拟环境中，产生身临其境的感觉，这是VR系统最重要的特征。

以前文描述的虚拟现实生活为例。当Alex在进行虚拟跑步运动锻炼时，沉浸感指的是：脚触地的压力感，向前跑的方向感、距离感；眼睛看到的中央公园景色、人群的真实感；以及随着跑步运动景色也随之变化，对人群的避让等等；就像Alex在中央公园跑步时的各种真实体验一样。

（2）交互性

指虚拟现实环境中的各种对象，可以通过输入与输出装置，影响参与者或被参与者影响。也即参与者与虚拟场景中各种对象相互作用的能力，它是人机和谐的关键性因素，包含虚拟对象的可操作程度，用户从虚拟环境中得到反馈的自然程度，以及虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等。

以前文描述的虚拟现实生活为例。当Alex在进行虚拟跑步运动锻炼时，交互性指的是：Alex与虚拟跑步场景中各种对象的互动及反馈，比如与虚拟景色的互动，随着跑步运动的进行，Alex看到的虚拟景色会随之改变；与虚拟人群的互动，Alex可以避让虚拟人群，虚拟人群也可以避让Alex等等。

（3）构想性

指参与者在虚拟环境中，根据所获取的各种信息和自身在系统中的行为，通过逻辑判断、联想和推理等思维过程，去感知虚拟现实系统设计者的思想，以及去想象虚拟现实系统没有直接呈现的信息。VR可使用户沉浸于虚拟环境中并获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思，因此VR是启发人的创造性思维的活动。

以前文描述的虚拟现实生活为例。当Alex在进行虚拟跑步运动锻炼时，构想性指的是，Alex能够感受到中央公园的环境、跑步的氛围，就像真的在中央公园跑步时所看到的一样。同时还能根据感受到的环境去规划新的跑步路线，就像真的在跑步时所做的一样。

1.2.3　虚拟现实的构成

经典的虚拟现实系统主要由输入设备、输出设备和运行虚拟现实应用的计算机组成。随着通信技术、移动互联网技术和智能终端技术的发展，虚拟现实系统相关设备高度集成化和互联网化，形成了由终端、应用平台、内容生成系统和网络传输系统组成的架构，如图1-2所示。

虚拟现实终端是虚拟现实的用户入口，负责向用户提供交互环境，虚拟现实终端把输入、输出和计算设备高度集成化，根据用户的输入向用户呈现预期的虚拟现实内容。典型的虚拟现实终端包括虚拟现实头盔等。

虚拟现实内容生成系统负责为用户生成在虚拟现实中可以展现和使用的内容。具体来说，包括为用户实现虚拟现实环境的三维环境开发软件，为用户制作全景视频的全景拍摄设备和后期处理软件等。

虚拟现实应用平台部署在云端，负责根据用户请求，把内容生成系统制作的虚拟现实内容呈现给用户。虚拟现实应用平台包括负责处理终端请求的应用逻辑处理模块和存储用户及应用数据的数据存储模块。同时，虚拟现实应用平台还需具备开放接口，便于内容和应用的上传及分发。

网络传输系统负责将终端侧的请求传输给应用平台并把应用平台的响应回传给终端。由于虚拟现实系统具有高交互性和实时性的特征，网络传输系统需要提升通信网络的传输效率，优化通信协议，提高通信网络的带宽，以减少端到端延迟，提升用户体验。