2.6.1.1　虚拟现实定义

虚拟现实，从广义角度来讲，是一种以计算机技术为核心，以数字化模拟环境为依托，实现交互式场景的现代技术。借助于虚拟现实技术，人类可以利用计算机制作立体图形，从而模拟现实世界或者构建纯粹构想的世界，通过多种传感辅助设施在视、听、触等感知方面使其“投入”进一种虚拟的三维世界。目前，根据虚拟与现实的交互性，虚拟现实技术可划分为3 个发展方向：VR（Virtual Reality，虚拟现实）、AR（Augmented Reality，增强现实）以及MR（Mixed Reality，混合现实），这里的VR 指的是狭义的虚拟现实技术。简单来讲，VR 指的是利用虚拟信息建立一个独立存在的虚拟空间，用户可以完全沉浸在虚拟世界，与虚拟物体进行互动，并得到感知层面的虚拟反馈；AR则指的是利用虚拟信息建立一个与现实世界叠加在一起的虚拟空间，用户可以在观察真实世界的同时，接收和真实世界相关的数字化的信息和数据；MR 是在AR 的基础上衍生出来的，指的是利用虚拟信息建立一个与现实世界融为一体的虚拟空间，用户可以同时看到虚拟世界与真实世界，将虚拟物体置于真实世界中进行互动。目前，VR 和AR 技术相对成熟，MR 技术处于发展初期，因此我们在以下的章节中重点围绕VR 与AR 技术进行讨论与研究。为了使读者不混淆，我们将用虚拟现实表示VR、AR 和MR 技术的统称，VR 表示虚拟现实中具体一个技术。

2.6.1.2　虚拟现实特征

虚拟现实是一项综合集成技术，涉及了计算机、传感与测量、视觉光学、环境建模、信息交互、图像与声音识别处理等多项技术。它的功能不仅是通过立体模型、实时信息等实现虚拟化场景建设，更重要的是实现可视化场景随用户视点变化而变化，使用户有身临其境之感，达到真实体验和基于自然技能的人机交互的目标，成为人类探索宏观世界或微观世界的一个重要工具，缩小人类在直接观察事物运动变化规律技能上的局限性，帮助人类获取知识和形成新概念。

根据上述功能需求，虚拟现实应具有以下4 种核心特征：

（1）沉浸感（Immersion）。沉浸感又称为存在感（Presence），主要指的是用户在虚拟场景中作为主角的真实性。用户是虚拟现实服务的对象，也是虚拟现实应用中不可或缺的重要组成部分，如果用户不能沉浸在虚拟场景中，也就不能发挥虚拟现实的功能。虚拟现实的沉浸感理想上可以将用户的注意力锁定在虚拟场景中，让用户难以分辨场景的真假，将自己完全地融入虚拟场景中去。随着计算机技术与信息技术的发展，虚拟场景沉浸感程度越来越高，越来越多的领域可以通过虚拟现实进行创新与发展。

（2）交互性（Interaction）。构建完虚拟场景后，只有实现虚拟物体的可操作性，才能完全发挥虚拟场景的价值；如果用户不能对虚拟物体进行操作，那么该虚拟场景只是一个“静态”的仿真模型。交互性在这里主要指的是用户对虚拟物体的操作程度以及操作过程中得到反馈的自然程度，包括实时性。用户可以直接用手通过日常使用的方法，例如抓取、托举等，感受物体的质量（即使手中没有实物），让物体随着手部运动进行位置的移动。因此，只有提高虚拟现实的交互性，才能将用户与虚拟场景紧密地联合在一起，完成更多探索任务。

（3）多感知性（Multi-Sensory）。多感知性指的是虚拟现实具有一切人所具有的感知功能，除了一般计算机技术所具备的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知等。多感知性是虚拟现实的一个重要内容，无论是用户沉浸在虚拟场景中，还是用户操作虚拟物体，都需要多感知性的支撑。目前由于传感技术的限制，虚拟现实的感知范围和感知精准度与人无法比拟，如何基于传感技术实现高精准度的多样化感知功能，是虚拟现实推广的一个关键。

（4）自主性（Autonomy）。虚拟现实作为人类探索知识的工具，必须满足世界客观规律。在虚拟场景建模的设计阶段就应该考虑虚拟物体在现实世界中对应的规律动作，例如物体受到外力干扰推动时，物体会在力作用的方向上移动、翻倒或者掉落等。自主性就是指虚拟场景中物体根据物理定律动作的程度，若虚拟物体可以根据不同的物理定律，实现不同的动作轨迹，则保证了用户在虚拟环境中得到的反馈或者探索结果的正确性。

从以上关于虚拟现实特征的描述可以看出，沉浸和交互是虚拟现实的最为关键的实质性特征。因此目前虚拟现实具有两个主流技术目标，分别是实现用户的“真实”体验以及提供丰富的人机交互手段。

2.6.1.3　虚拟现实发展历史

1.虚拟现实（VR）技术的发展

一般认为虚拟现实的发展分为四个阶段。

·1963年以前，虚拟现实思想的萌芽阶段；

·1963—1972年，虚拟现实技术的初现阶段；

·1973—1989年，虚拟现实技术概念和理论产生的初期阶段；

·1990年至今，虚拟现实技术理论的完善和应用阶段。

第一阶段：虚拟现实思想的萌芽阶段（1963年以前）。

其实虚拟现实思想究其根本是对生物在自然环境中的感官和动态的交互式模拟，所以这又与仿生学息息相关，中国战国时期的风筝的出现是仿生学较早的在人类生活中的体现，包括后期西方国家根据类似的原理发明的飞机。1935年，美国科幻小说家斯坦利·温鲍姆（Stanley G.Weinbaum）在他的小说中首次构想了以眼镜为基础，涉及视觉、触觉、嗅觉等全方位沉浸式体验的虚现实概念，这是可以追溯到的最早的关于虚拟现实的构想。1957—1962年莫顿·海利希（Morton Heilig），研究并发明了Sensorama，并在1962年申请了专利。这种“全传感仿真器”的发明，蕴涵了虚拟现实技术的思想理论。

第二阶段：虚拟现实技术的初现阶段（1963—1972年）。

1968年美国计算机图形学之父Ivan Sutherlan 开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器HMD 及头部位置跟踪系统，是虚拟现实技术发展史上一个重要的里程碑。

第三阶段：虚拟现实技术概念和理论产生的初期阶段（1972—1963年）。

这一时期主要有两件大事，一件是M.W.Krueger 设计了VIDEOPLACE 系统，它可以产生一个虚拟图形环境，使体验者的图像投影能实时地响应自己的活动。另外一件则是由M.M.Greevy 领导完成的VIEW 系统，它让体验者穿戴数据手套和头部跟踪器，通过语言、手势等交互方式，形成虚拟现实系统。

第四阶段：虚拟现实技术理论的完善和应用阶段（1990年至今）。

1994年，日本游戏公司Sega 和任天堂分别针对游戏产业而推出Sega VR-1 和Virtual Boy，但是由于设备成本高等问题，以至于最后使虚拟现实的这次现身如昙花一现。2012年，Oculus 公司用众筹的方式将虚拟现实设备的价格降低到了300 美元（约合人民币1900 元），同期的索尼头戴式显示器HMZ-T3 高达6000 元左右，这使得虚拟现实向大众视野走近了一步。

2014年，Google 发布了Google Card Board，三星发布了Gear VR，2016年苹果发布了名为View-Master 的VR 头盔，售价29.95 美元（约合人民币197元），另外HTC 的HTCVive、索尼的Play Station VR 也相继问世。

另外在这一阶段虚拟现实技术从研究型阶段转向为应用型阶段，被广泛运用到了科研、航空、医学、军事等领域。目前，国内的虚拟现实市场也是如火如荼，普通民众也都能在各种VR 线下体验店感受虚拟现实带来的惊艳与刺激。

我国虚拟现实技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制订了开展虚拟现实技术的研究计划。例如：“九五”规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把虚拟现实列入了研究项目并给予资助。北航、浙大、清华、北大、国防科大、北理工等高校，中科院计算所、自动化研究所、航天二院、兵器201 所等研究院所，以及其他许多应用部门和单位的科研人员已积极投入这一领域的研究工作中，在虚拟现实理论研究、技术创新、系统开发和应用推广方面都取得了显著成绩，我国在这一科技领域进入了发展的新阶段。北京航空航天大学计算机系着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题。清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——立体显示技术进行了研究，提出了一种基于JPEG 标准的压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度。北方工业大学CAD 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心。

由于虚拟现实的学科综合性和不可替代性，以及经济、社会、军事领域越来越大的应用需求，2006年国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将虚拟现实技术列为信息领域优先发展的前沿技术之一。2018年12月25日，工信部发布了《加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》，指出要抓住虚拟现实从起步培育到快速发展迈进的新机遇，加大虚拟现实关键技术和高端产品的研发投入，创新内容与服务模式，建立健全虚拟现实应用生态，推动虚拟现实产业发展，培育信息产业新增长点和新动能。2019年，其他部委也陆续发布了人才培养和应用层面的政策。2019年6月，教育部发布了《关于职业院校专业人才培养方案制订与实施工作的指导意见》。2019年8月，科技部、中宣部等六部委发布的《关于促进文化和科技深度融合的指导意见》。

2.增强现实（AR）技术的发展

增强现实技术是将计算机生成的虚拟信息叠加到用户所在的真实世界的一种新兴技术，是虚拟现实技术的一个重要分支。它提高了用户对现实世界的感知能力，提供了人类与世界沟通的新的方式，近年来受到研究者的广泛关注。

增强现实的定义有两种，一种是由Milgram 和Kishino 提出的：将真实环境与虚拟环境放置在两端，其中靠近真实环境的叫增强现实，靠近虚拟环境的叫增强虚拟，位于中间的叫混合现实；另一种是Azuma 定义的：以虚实结合、实时交互、三维注册为特点，利用附加的图片、文字信息对真实世界进行增强的技术。

与虚拟现实不同，增强现实技术利用三维跟踪注册技术来计算虚拟物体在真实环境中的位置，通过将计算机中的虚拟物体或信息带到真实世界中实现对现实世界的增强。近年来随着科技的发展，增强现实技术被广泛应用于工业、军事、医疗、教育等多个领域。

目前增强现实的市场环境趋于稳定，无论是技术研发、产品应用还是投资方面都变得更加平稳，没有大波动。同时，巨头的框架布局已经全部完成。2018年，国外的谷歌、苹果、微软等巨头对于增强现实的布局已经成型，国内BAT 等大公司也已经完成了ARSDK 的发布，有的已经被开发者应用。

国外在增强现实技术上领先于国内，而国内在应用上却优于国外。预测2019年会是增强现实的应用元年，到2020年增强现实才会开始在B 端爆发，到2025年增强现实才会真正迎来全面应用。

3.混合现实（MR）技术的发展

混合现实是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感，具有真实性、实时互动性以及构想性等特点。

混合现实不仅有潜力创造出新的市场，还将颠覆当前的一些市场。该技术可以应用到9 大领域：视频游戏、事件直播、视频娱乐、医疗保健、房地产、零售、教育、工程和军事。目前混合现实技术主要应用在娱乐、培训与教育、医疗、导航、旅游、购物和大型复杂产品的研发中。

随着科技的发展，混合现实技术已经逐渐成了计算机技术中的热点领域，从某种程度上来说，混合现实技术融合了真实现实、虚拟现实以及增强现实。自2009年起，高通、可口可乐等知名企业都开始了虚拟现实、增强现实、混合现实的研究，数字技术和新型的表现形式很快便受到了众多消费者的喜爱，同时混合现实技术等新技术展现出了极大的潜在价值。

从国内目前混合现实技术的发展来看，起步相对于国外比较晚，而且集中在系统应用技术上，涉及面与研究都比较单一不宽泛。虽然国内混合现实技术的发展起步晚，但是很多研究机构，尤其是高校，在增强现实的一些算法与设计技术上已有建树，例如摄像机校准算法以及虚拟物体注册算法等，这些算法的成功研究能够帮助解决在混合现实中的遮挡、显示器设计等方面问题。

同时，参与混合现实产业的公司越来越多，包括谷歌、索尼、HTC、Facebook、微软、三星、3Glasses、百度、联想、暴风魔镜、睿悦科技、焰火工坊、乐相科技、Coolhear、亮风台、兰亭数字、乐活家庭、共进等公司。特别是，在2015年获得谷歌注资5 亿多美元的Magic Leap 高调宣布正在研发增强现实的新技术；微软发布全息眼镜HoloLens。中国AR/VR/MR 产业的声势也比较高涨。

2.6.1.4　虚拟现实发展趋势

虚拟现实和5G、人工智能、大数据云计算等前沿技术不断融合创新发展，进一步促进了虚拟现实应用落地，催生了新的业态和服务。

(1)5G +VR/AR

从技术特点来看，5G 是基础、平台性的技术，和VR/AR 技术相融合，能催生出种类丰富的虚拟现实应用。5G 能解决虚拟现实产品因为带宽不够和时延长带来的图像渲染能力不足、终端移动性差、互动体验不强等痛点问题。5G 给虚拟现实产业发展带来优势包括：在采集端，5G 为VR/AR 内容的实时采集数据传输提供大容量通道；在运算端，5G 可以将VR/AR 设备的算力需求转向云端，省去现有设备中的计算模块、数据存储模块，减轻设备重量；在传输端，5G 能使VR/AR 设备摆脱有线传输线缆的束缚，通过无线方式获得高速、稳定的网络连接；在显示端，5G 保持终端、云端的稳定快速连接，VR 视频数据延迟达毫秒级，有效减轻用户的眩晕感和恶心感（4G 环境下，网络信号传输的延时约为40ms）。

随着我国于2019年正式发放5G 牌照，大规模的组网将在部分城市和热点地区率先实现，能快速推进VR 终端服务的产业化进程。

在应用创新方面，5G 和VR 结合在广播电视、医疗、教育、直播等领域已开展了应用。

(2)AI+VR/AR

从技术特点来看，人工智能（AI）是基础的赋能性技术，和VR/AR 技术相融合，能提高虚拟现实的智能化水平，提升虚拟设备的效能。AI 赋能虚拟现实建模，能提升虚拟现实中智能对象行为的社会性、多样性和交互逼真性，使得虚拟对象与虚拟环境和用户之间进行自然、持续、深入交互。

AI 提升虚拟现实算力，边缘AI 算法能大幅提升虚拟现实终端设备的数据处理能力。此外，人工智能与AR 的结合将显著提高AR 应用的交互能力和操作效率，满足个人感知、分析、判断与决策等实时信息需求，实现在工作、学习、生活、娱乐等不同场景下的流畅切换。

在应用创新方面，AI 和VR 结合在零售、家装、智能制造等领域已开展了应用。

(3)Cloud +VR/AR

从技术特点来看，将图像渲染、建模等耗能、耗时的数据处理功能云化后，大幅降低了对VR 终端的续航、体积、存储能力的要求，有效降低了终端成本和对计算硬件的依赖性，同时推动了终端轻型化和移动化。VR/AR 和云计算、云渲染结合，将云端的显示输出、声音输出通过编码压缩后传输到用户的终端设备中，实现了VR/AR 业务的内容上云和渲染上云，能够对VR/AR 业务进行快速处理。据华为预测，2025年全球VR 个人用户将会达到4.4 亿，将会孕育达到2 920 亿美元的云VR 市场。

Cloud AR/VR（云化AR/VR）是一种全新的商业模式——智终端、宽管道、云应用。受益于5G 网络，Cloud AR/VR 应用从本地走向云端。目前，只有少数高资产投入的用户，才能获取高性能多媒体AR/VR 内容。对于数据存储、功耗和处理能力的巨大需求，往往需由高规格PC 或经特殊改造的物理网络来实现。大多数AR/VR 应用还有赖于头盔或其他设备来完成复杂的技术处理。技术需求对以头盔为首的设备造成了种种限制，设备的可移动性大打折扣。同时，高昂的售价也让大众消费者心有余而力不足，AR/VR 的受众大为受限。Cloud AR/VR 将物理硬件迁移至先进的云平台。消费者只需承担连接、内容、头盔等设备成本，不需要自备高规格PC。成本的降低，将为AR/VR 打开更广阔的市场。云的使用有助提升设备灵活性，让未来的全新设备更轻便。

不论是对企业还是对消费者，Cloud AR/VR 沉浸式技术都有丰富的应用场景。最引人注目的，莫过于Cloud AR/VR 与游戏及娱乐产业的融合。价值数十亿美元的游戏娱乐产业正亟待借力云端应用，为主流用户提供新一代内容。按以往经验，获取最新的游戏和娱乐技术意味着巨额支出，令人望而却步。以游戏为例，过去闭门不出打电玩，基本是闭塞的个体行为。如今，得益于通信技术的演进，宽带连接的质量日益提升，即使足不出户也能和全世界玩家同台竞技。遗憾的是，受限于当前的连接技术和物理硬件条件，能够享受到超高规格应用的仍是少数。5G 的到来，让AR/VR 走上云端，有望在世界各个角落普及。随着这一愿景的实现，为此耕耘的公司将获得巨大的经济回报。除了对娱乐产业内容的激发，先进技术还将深刻影响企业的未来。使用本地硬件提供AR/VR 成本高昂，而云连接将为更多的企业提供最新的工具，助力其在商业竞争中立于不败。价格是Cloud AR/VR 进入大众市场，造福企业的重要因素。而无线网络及云应用的成熟，又是降低价格的关键。产业合作与云应用的积极融入使移动服务运营商如虎添翼，将为全社会创造不凡的利益和价值。(www.daowen.com)

2.6.1.5　虚拟现实的关键技术

1.近眼显示技术

实现30PPD（每度像素数）单眼角分辨率、100Hz 以上刷新率、毫秒级响应时间的新型显示器件及配套驱动芯片的规模量产。发展适人性光学系统，解决因辐合调节冲突、画面质量过低等引发的眩晕感。加速硅基有机发光二极管（OLEDoS）、微发光二极管（MicroLED）、光场显示等微显示技术的产业化储备，推动近眼显示向高分辨率、低时延、低功耗、广视角、可变景深、轻薄小型化等方向发展。

2.感知交互技术

加快六轴及以上GHz 惯性传感器、3D 摄像头等的研发与产业化。发展鲁棒性强、毫米级精度的自内向外的追踪定位设备及动作捕捉设备。加快浸入式声场、语音交互、眼球追踪、触觉反馈、表情识别、脑电交互等技术的创新研发，优化传感融合算法，推动感知交互向高精度、自然化、移动化、多通道、低功耗等方向发展。

3.渲染处理技术

发展基于视觉特性、头动交互的渲染优化算法，加快高性能GPU 配套时延优化算法的研发与产业化。突破新一代图形接口、渲染专用硬加速芯片、云端渲染、光场渲染、视网膜渲染等关键技术，推动渲染处理技术向高画质、低时延、低功耗方向发展。

4.内容制作技术

发展全视角12K 分辨率、60 帧/s 帧率、高动态范围（HDR）、多摄像机同步与单独曝光、无线实时预览等影像捕捉技术，重点突破高质量全景三维实时拼接算法，实现开发引擎、软件、外设与头显平台间的通用性和一致性。

5.三维扫描快速建模技术

三维建模数据高效采集主要依托三维激光扫描技术，对确定目标的整体或局部进行从左到右、从上到下的全自动、高精度步进测量（即扫描测量），以获取目标的线、面、体、空间等三维实测数据并进行高精度的三维逆向建模，将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，并直接将各种实体的三维数据完整地采集到电脑中，即可实现三维模型的实时重构。

6.三维模型轻量化技术

三维模型轻量化技术是工业虚拟现实仿真领域的基础技术，由于三维CAD文件信息量较多、数据量较大，如果不进行轻量化处理很难将其应用于后续各种仿真分析工作（如数字样机展示、虚拟拆装、虚拟维修、人机工效分析等）。换句话说，当前工业部门基本已具备三维CAD 模型，基于三维CAD 模型的后续应用基本上都会用到三维模型轻量化技术。

7.三维数据融合技术

三维模型或场景融合技术对大型企业或集团的工业虚拟现实仿真应用是非常有效的。这些企业或集团一般都会用到多种CAD、CAE 或CAM 软件，不同三维软件产生的数据的装配和集成难度较大，三维模型或场景融合技术刚好是解决这一难题的手段，在大型工业虚拟现实仿真领域将会得到广泛应用。

8.物理引擎算法

工业物理引擎技术属于工业虚拟现实仿真的基础技术，它能有效实现机构运动、碰撞检测、柔体模拟、运动控制等功能，工业客户在这方面存在广泛需求。

9.人机交互设计

人机交互是虚拟现实系统的核心，此项技术需要注意以下几点：

·视点（Viewpoint）控制，视点是用户做观察虚拟场景的角度，视点控制的好坏将直接影响客户体验；

·导航（Navigation）方式，是指用户在虚拟场景中进行导航的方式，需要尽可能接近人在真实环境下的导航方式；

·操作（Manipulation）简单，便于普通用户上手使用；

·沉浸感（Immersion），是指用户身临其境的感觉，对立体图像生成算法要求较高，不好的算法会导致客户产生眩晕、恶心的感觉。

10.人体运动引擎算法

人体运动引擎技术是研究人体在物理环境下接收外界输入并附加特定约束的情况下的人体运动规律的技术。近年来载人航天领域对该项技术的需求越来越大，客户需要一个能计算零重力环境下人体运动规律的引擎。将来此项技术可应用于游戏开发、人机工程仿真、军事仿真及影视动画等方面。

11.三维特征识别与匹配技术

物体的检测和识别：发现并找到场景中的目标。目前，通用的物体检测和识别技术可以分为两种：一种是从分类和检测的角度出发，识别某一类对象而不是具体的个体；另外一种是从图像匹配的角度出发，通过匹配的方式找到最相关的图像，从而定位环境中的目标。

在三维环境的识别跟踪上，最核心的就是“即时定位与地图构建”（Simultaneously Localization and Mapping，SLAM），目前AR 主要还是以视觉SLAM为主，其他传感器为辅的。SLAM 问题可以描述为：你处在一个陌生的环境中，需要解决“我在哪里”，即定位问题（Localization）；周围环境是怎么样的，即构建即时地图（Mapping）；这样你一边走，一边理解周围的环境（Mapping），一边确定自己在所建地图上的位置（Localization）。

为了能正确识别自然场景，需要保存大量的参考视图。同时根据输入图像中提取的相应特征与场景图像的特征进行匹配，然后根据匹配点的对应关系对物体的三维位姿进行计算。同样，在这里需要首先对所有的场景进行三维重建，完成重建注册过程。

12.AR 跟踪配准技术

三维配准是链接虚实的最核心技术，没有之一。大致说来，在AR 中配准的目的是对影像数据进行几何上的精确理解。这样一来，就决定了要叠加的数据的定位问题。比如说，在AR 辅助导航中如果想把导航箭头“贴在”路面上，就一定要知道路面在哪里。在这个例子中，每当手机摄像头获取到新一帧图像时，AR 系统首先需要将图像中的路面定位，具体地说，就是在某个事先设定的统一的世界坐标系下确定地面的位置，然后将要贴的箭头虚拟地放在这个地面上，再通过与相机相关的几何变换将箭头画在图像中相应的位置（通过渲染模块完成）。如前所述，三维跟踪配准在技术上存在很多挑战，尤其在考虑到移动设备有限的信息输入和计算能力的情况下。鉴于此，基于视觉AR 的发展历程经历了从简单定位到复杂定位的几个阶段，下面简单介绍一下这个发展过程。

二维码：和大家如今广为使用的微信二维码原理一样，二维码主要的功能在于提供稳定的快速的识别标识。在AR 中，除了识别以外，二维码还同时提供易于跟踪和对平面进行定位的功能。因为这个原因，AR 中的二维码比一般的二维码模式更加简单以便精确定位。图2-50 给出了AR 二维码的例子。

图2-50　二维码

二维图片：二维码的非自然人工痕迹局限了它的应用。一个很自然的拓展是使用二维图片，比如纸币、书本海报、相片卡牌等。二维码之所以简单就是因为它上面的图案是设计出来的让视觉算法可以迅速地识别定位，一般的二维图片则不具备这种良好的性质，也需要更强大的算法。并且，不是所有的二维图片都可以用来进行AR 定位。在极端情况下，一个纯色的没有任何花纹的图片是无法用视觉方法定位的。图2-51所示例子中，两张卡牌用来定位两个对战重点的虚拟战士。

图2-51　二维图片

三维物体：二维图片的自然扩展当属三维物体。一些简单的规则三维物体，比如圆柱状可乐罐，同样可以作为虚实结合的载体。稍微复杂一些的三维物体通常也可以用类似的方法处理或分解成简单物体来处理，如在工业修理中的情况。对于一些特定的非规则物体，比如人脸，由于有多年的研究积累和海量的数据支持，已经有很多算法可以进行实时精准对齐。然而，如何处理通用的物体仍然是一个巨大的挑战。

三维环境：在很多应用中我们需要对整个周围3D 环境进行几何理解，很长时间以来和可预期的一段时间以内，这一直是个充满挑战的问题。近年来，三维环境感知在无人车和机器人等领域的应用取得了成功，这让人们对其在AR 中的应用充满憧憬。然而，相比无人车等应用场景，AR 中可以使用的计算资源和场景先验常常捉襟见肘。受此影响，AR 中的三维场景理解研发主要有了两个显而易见的思路，一是多传感器的结合，二是对于应用的定制。两个思路的结合也是实用中常见的手段。

2.6.1.6　虚拟现实在军工领域的应用现状

虚拟现实是由多学科交叉结合形成的，在多学科交叉结合中创新、发展；同时它又具有很强的应用性，与应用领域的特点、需求密切结合。目前，虚拟现实广泛应用于军事、医学、工业和教育文化等几个领域，是对传统技术领域的有效补充。虚拟现实的本质作用就是“以虚代实”“以科学计算代实际实验”，通过沉浸、交互和构想的特性能够高精度地对现实世界或假象世界的对象进行模拟与表现，辅助用户进行各种分析，从而为解决面临的复杂问题提供一种新的有效手段。本节主要探讨虚拟现实在军工领域的应用现状。

迄今为止，虚拟现实在军工领域的应用主要包括构建虚拟战场环境、进行单兵模拟训练和近战战术训练以及实施诸军兵种联合演习四个方面。①构建虚拟战场环境指的是基于三维战场环境图形图像库，包括作战背景、战地背景、各种武器装备和作战人员等，创造一个险象环生、逼近真实的立体战场环境，以增强士兵临场感觉，提高训练质量。②进行单兵模拟训练指的是让士兵穿上数据服，戴上头盔显示器和数据手套，通过操作传感装置选择不同的战场背景，输入不同的处置方案，体验不同的作战成果，从而像参加实战一样，锻炼和提高战术水平、快速反应能力和心理承受能力。③近战战术训练指的是通过训练系统把地理上分散的各个学校、战术分队的多个训练模拟器和仿真器连接起来，以当前的武器系统、配置、战术和原则为基础，把陆军近战战术训练系统、空军的合成战术训练系统、防空合成战术训练系统、野战炮兵合成战术训练系统、工程兵合成战术训练系统，通过局域网和广域网连接在一起。④实时诸军兵种联合演习指的是根据侦察情况资料合成战场全景图，建立一个“虚拟战场”，让受训指挥员通过传感装置观察双方兵力部署和战场情况，根据虚拟环境中的各种情况及其变化，实施真实的对抗演习。

随着虚拟现实技术的不断发展与创新，它在军工领域的渗透出现了新的发展方向，分别如下：

（1）高新技术武器的研制开发、论证、评估及预测。

在高新技术武器开发的过程中，虚拟现实可以帮助设计人员介入系统建模和使仿真实验全过程更便利，从而有效地缩短武器系统的研制周期，并能对武器系统的作战效能进行合理评估，提高武器在实战中的性能指标；同时也可以帮助用户在武器研制阶段进行先期演习，与设计人员一起操作武器系统。在此基础上，设计人员与用户可以充分利用分布式交互网络提供的各种虚拟环境，检验武器系统的设计方案和战术、技术性能指标极其操作的合理性，提高大型复杂武器系统研制的工作效率。

（2）“虚拟”军事地图。

随着现代高技术的发展，战争逐渐信息化，现代战争中士兵利用高级电脑接收终端执行任务，从而出现了以数字形式存储在磁盘等介质上的数字地图，甚至利用虚拟现实建立“可进入”的地图。在军事训练中，设计人员可以基于“可进入”地图建立军事训练系统，重现现实战场的详细地形，从而对士兵进行专门训练。

（3）军事医学、救治的应用。

由于战争的残酷性，军事医学和救治与传统医学相比具有环境突发情况多，时间更为紧迫等难处，从而对医生的专业素养要求更高。将虚拟现实应用到此领域，通过建立虚拟医疗手术治疗系统可以帮助医药专家对战场上受伤较重或者病情较为复杂的官兵进行远程救治的训练和实践。基于已知的人体数据，在计算机中重构人体或某一器官的几何模型，并赋予一定的物理特征，通过机械手或数据手套等高精度的交互工具在计算机中模拟手术过程和操作“虚拟”手术器械，以达到训练、研究、医疗的目的。

（4）虚拟远程控制机械装备。

战争中存在多种人类不适宜直接接触或进入的危险地域与物体，例如勘察与清理受核、化学污染的地带。在这种情况下，虚拟现实可以实现对某些军事装备的虚拟远程操作与控制。美国国家航空航天局和欧洲空间局曾成功地将虚拟现实技术应用于航天运载器的空间活动、空间站的操作以及哈勃太空望远镜维修方面的地面训练。

（5）战前针对性战法研究、训练。

一方面，根据敌我双方的兵力与武器部署、地形地貌以及对方可能用的战略等情况，用直观的图像、逼真的声音生成甚至模拟实际双方的战斗情况，帮助军事战略家们定下正确的作战决心；另一方面，可以针对将要参与的发生战事的地点、战场环境以及敌方的火力部署，有针对性地对参战人员进行训练，从而缩短他们的适应与反应时间、提高机动灵动性等。

综上所述，将虚拟现实应用于军工领域，符合减少人员、物资的损耗，提高军事训练效费比的现实需求与发展方向。虚拟现实今后的应用将会越来越广泛，发挥的作用也将会越来越大。