虚拟现实技术产业应用

2虚拟现实技术概论5.1虚拟现实产品日益丰富5.1.1头盔显示器的迭代5.1.2手势识别产品的发展5.1.3嗅觉与味觉感知的进展图片处理5.1.1头盔显示器的迭代5.1产品日益丰富显示原理头盔显示器的原理是将小型二维显示器所产生的影像藉由光学系统放大。具体而言，小型显示器所发射的光线经过凸透镜使影像因折射产生类似远方效果。利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到所谓的全像视觉。图片处理5.1.1头盔显示器的迭代5.1产品日益丰富迭代产品1995年，第一个可用的商业VR头戴显示器VFX1诞生采用两个0.7英寸、263x230分辨率的256色LCD，可视角度约70°，内部的传感器可以跟踪头部的转动，有一个很小的手柄进行控制，内置立体声耳机设计。VFX1需要一台运行DOS5.0的386电脑支持。VFX1支持当时的《星战》、《Quake》等游戏。VFX1应该算是比较标准的PC专用VR设备和头戴显示器了。图片处理5.1.1头盔显示器的迭代5.1产品日益丰富迭代产品在2006年的CES展会上，eMagin发布了世界上第一款支持3D功能的头戴显示器eMagin

Z800

3D

Visor。图片处理5.1.1头盔显示器的迭代5.1产品日益丰富迭代产品2011年底，在头戴式显示领域冷淡良久的索尼卷土重来，带来了堪称重量级产品HMZ-T1，分辨率1280×720，3D显示功能。借助索尼PS3、索尼影业等诸多辅助支持，共同打造一场头戴式显示器的应用革命。图片处理5.1.1头盔显示器的迭代5.1产品日益丰富迭代产品2012年1月底，美国SMD公司发布了一款真正的1080p全高清3D头戴式显示器ST1080，采用两块0.74英寸的LCOS硅基液晶来成像，从硬件上比，ST1080看来是完胜索尼的HMZ-T1，重量只有惊人的180克，尺寸精悍、造型简约，相比之下，索尼HMZ-T1的重量达到420克，必须采取舒适的姿势才能够长时间佩戴。图片处理5.1.1头盔显示器的迭代5.1产品日益丰富迭代产品2016年1月开始预售其迭代产品Oculus

Rift，Oculus公司称Rift为“第一款真正PC专用的VR头戴显示器”。Rift具有两个目镜，每个目镜为5.7英寸OLED，分辨率为640×800，双眼的视觉合并之后拥有1280×800的分辨率，90Hz刷新率。Rift拥有专用的头戴耳机，可提供3D立体音效。图片处理5.1.1头盔显示器的迭代5.1产品日益丰富迭代产品2016年3月，索尼正式发行PlayStation

VR，配备5.7寸OLED屏，分辨率为1920×1080、刷新率为120Hz、延迟低于18ms，视角达100度；采用9个LED来实现360°头部位置追踪、利用加速传感器和陀螺仪实现动作捕捉，并通过3D音效提高体验效果。图片处理5.1.1头盔显示器的迭代5.1产品日益丰富迭代产品2016年6月，HTC推了面向企业用户的Vive虚拟现实头盔。HTCVive开发者版采用OLED屏幕，单眼有效分辨率为1200×1080，双眼合并分辨率为2160×1200。2K的分辨率大大降低了画面的颗粒感。图片处理5.1.1头盔显示器的迭代5.1产品日益丰富迭代产品以上远不是VR头显设备发展历史的全部，许多试验性的产品资料匮乏，并没有什么曝光的机会。从80年代的“EyePhone”开始，一款标准的VR设备，就由完整的头戴显示、头部跟踪感应以及输入设备组成。随着科技进步、其每个子系统的性能都越来越强大。屏幕色彩和分辨率越来越高、感应器灵敏度和刷新率越来越快、输入设备延迟更低等等，带来更加逼真和流畅的沉浸式显示体验。设备成本更低廉、高性能智能手机的普及也使得移动VR设备和应用成为了可能。图片处理5.1.2手势识别产品的发展5.1产品日益丰富发展数据手套本身不提供与空间位置相关的信息，必须与位置跟踪设备连用。外部设备的介入虽使得手势识别的准确度和稳定性得以提高，但却掩盖了手势自然的表达方式。所以，基于视觉的手势识别方式应运而生。视觉手势识别是指对视频采集设备拍摄到的包含手势的图像序列，通过计算机视觉技术进行处理，进而对手势加以识别。图片处理5.1.2手势识别产品的发展5.1产品日益丰富发展二维手型识别，也称静态二维手势识别，识别的是手势中最简单的一类。只能识别

几个静态的手势动作，比如握拳或者五指张开。这种技术只能识别手势的状态，而不能感知手势的持续变化。相比二维手势识别，三维手势识别增加了一个Z轴的信息，它可以识别各种手型、手势和动作。这种包含一定深度信息的手势识别，需要特别的硬件来实现。常见的有通过传感器和光学摄像头来完成。图片处理5.1.2手势识别产品的发展5.1产品日益丰富实现方式（1）结构光（StructureLight）这种技术的基本原理是，通过激光的折射以及算法计算

物体的位置和深度信息，进而复原整个三维空间，由于依赖折射光的落点位移来计算位置，这种技术不能计算

精确的深度信息，对识别的距离也有严格的要求。图片处理5.1.2手势识别产品的发展5.1产品日益丰富实现方式（2）光飞时间(Time

of

Flight)光飞时间的原理在于：加载一个发光元件，通过CMOS传感器来捕捉计算光子的飞行时间，根据光子飞行时间推算 光子飞行的距离，就能得到物体的深度信息。图片处理5.1.2手势识别产品的发展5.1产品日益丰富实现方式（3）多角成像（Multi-camera）该技术使用两个或者两个以上的摄像头同时采集图像，比对不同摄像头在同一时刻获得的图像的差别，计算深度信息，从而实现多角三维成像。图片处理5.1.2手势识别产品的发展5.1产品日益丰富代表产品（1）Glovenone2015年，一款名为Glovenone的数据手套

现在Kickstarter众筹网上。具有独特的触觉反馈功能，可以兼容多款虚拟现实头盔，通过振动模拟真实的触摸体验，可以模拟

物品的形状、重量和冲击时产生的力量。图片处理5.1.2手势识别产品的发展5.1产品日益丰富代表产品（1）GlovenoneGlovenone手套中有10个驱动马达，每一个马达都能通过震动制造触感。Glovenone具有类似Leap

Motion、英特尔RealSense和微软Kinect的体感模式，可以带来精准的位置测定。内置一个控温装置，所以还可以模拟虚拟的温度反应，比如当在虚拟世界中将手靠近火源，现实中手套也会发热，真实感受到火焰散发 的热量。图片处理5.1.2手势识别产品的发展5.1产品日益丰富代表产品（2）SensoSenso数据手套，包含7个IMU系统，可以提供6个自由度的追踪，无需由外而内的追踪系统。每只手套集成了震动马达和电池。可提供每个手指的触觉反馈和模拟温度差异的能力。图片处理5.1.2手势识别产品的发展5.1产品日益丰富代表产品（3）Manus

VR数据手套荷兰Manus

VR公司是数据手套行业的全球领军企业，产品使用全球最先进的虚拟现实技术。Manus

VR虚拟现实手套与HTC结合使用。图片处理5.1.2手势识别产品的发展5.1产品日益丰富代表产品2019年，Manus

VR推 迭代产品包含三个版本：Prime

One、Prime

Haptic、Prime

Xsens。Prime

One是Manus

VR核心产品，支持手部和双关节手指动作追踪；兼容Unity、Unreal以及一些动作平台软件。Prime

Haptic支持触觉反馈，内置线性马达，能够根据虚拟场景的材料和力度施加震动回馈信号，并且包括材质、强度、频率、共振等触觉细节。Prime

Xsens是一个专用于Xsens动捕方案的版本，其旨在通过IMU套装完成手部追踪。Manus

VR产品已经被应用到NASA宇航员训练、工业场景培训等等用途，客户还包括迪士尼、宝马、奥迪、空中客车等公司。图片处理5.1.2手势识别产品的发展5.1产品日益丰富代表产品（4）Control

VRControl

VR公司研发，由配置在胸前的主机、手臂上的臂环、手套及多个传感器组成，玩家就可以自如地活动手指、实现各种复杂的手部动作，如抓、握拳、或是任何手势表情。支持Oculus平台、谷歌眼镜、Unity引擎、虚幻引擎、Autodesk软件甚至是PARrot的AR无人机，应用范围非常广泛。图片处理5.1.2手势识别产品的发展5.1产品日益丰富代表产品（5）PowerClaw由墨西哥创业公司Vivoxie研发而成，这款VR手套可利用温度自动调节器向手指传送安全等级内的热度和冷度，并且内置震动马达还能模拟虚拟物体的触感。图片处理5.1.2手势识别产品的发展5.1产品日益丰富代表产品（6）5DTDataGloveUltra

Series5DT

Data

Glove

Ultra系列是5DT公司为现代动作捕捉和动画制作领域的专业人士专门设计的一款数据手套产品，包含四个产品：5DT的Glove

5型、5DT的Glove

5型5传感器无线版、5DT的Glove

16型、5DT的16传感器无线版。图片处理5.1.2手势识别产品的发展5.1产品日益丰富代表产品（7）CaptoGlove2017年，CaptoGlove公司在当年的GDC大会上展示了其研发已有五年时间的可穿戴控制器CaptoGlove，CaptoGlove通过蓝牙连接，可兼容所有的VR头显和iOS/安卓智能手机。CaptoGlove声称，产品可支持“一切PC游戏，包括过去和现在。”图片处理5.1.3嗅觉与味觉感知的进展5.1产品日益丰富1、嗅觉感知的实现嗅觉是一种由感官感受的知觉。它由两种感觉系统参与，即嗅神经系统和鼻三叉神经系统。嗅觉和味觉会整合和互相作用。嗅觉是一种远感，通过长距离感受化学刺激的感觉。气味学家汉斯·哈特认为：“嗅觉亦被称作化学感觉，是生物最原始的感知方式。没有嗅觉，单细胞生物就无法觅食，也无法区分易消化和不易消化的食物。”正因如此，与后期进化而来的听觉和视觉相比，嗅觉与人们的记忆和情感系统的联系更加直接。图片处理5.1.3嗅觉与味觉感知的进展5.1产品日益丰富1、嗅觉感知的实现气味模拟技术现在还处于发展初期阶段。最早的气味模拟落地项目可以追溯到2006年，美国一所创新技术研究所研制开发

一种可模拟战争气味环境的DarkCon模拟器。该模拟器可以在训练场地中，制造爆炸的炸弹、燃烧的卡车、腐烂的尸体和街道上的污水等物质散发

的气味，让即将部署到伊拉克的士兵提前接触这些难闻的气味，经过这种模拟器训练的新兵能更快地适应实战环境。早期的气味模拟在使用方式上是通过在场地中安装气味释放器来进行气味传播。而且在效果上要显得单一和笨拙。图片处理5.1.3嗅觉与味觉感知的进展5.1产品日益丰富1、嗅觉感知的实现2017年，日本VR嗅觉开发初创公司VAQSO曾获得60万美元的融资，用于VR专用的气味模拟设备开发。并于2018年带来了气味发射开发者套件VAQSOVR。相对于2017年的初始机，VAQSO

VR将之前的直板设计改成了扇形的气味发射配件，且为VR头显设计了专门风扇，根据VR场景发生的不同情况发射不同的气味。图片处理5.1.3嗅觉与味觉感知的进展5.1产品日益丰富1、嗅觉感知的实现VAQSO

VR现有的十五种气味，分为环境、食物/饮料和其他三大类，环境气味包括海洋、火（火药味）、森林、木头、泥土；食物/饮料类气味包括咖啡、巧克力、咖喱和炸鸡；其他类气味包括僵尸、薄荷、汽油和鲜花等。VAQSO

VR可同时装载5种不同的气味替换芯，每颗替换芯可持续使用约一个月时间。图片处理5.1.3嗅觉与味觉感知的进展5.1产品日益丰富1、嗅觉感知的实现VAQSO

VR外形小巧，能够通过磁体吸附在VR游戏头盔的下方，里面则注入特殊气味的香水。开发人员根据游戏进度，可以编程控制VAQSO

VR的开关，使用者便可以感受到虚拟世界的气味变化。图片处理5.1.3嗅觉与味觉感知的进展5.1产品日益丰富1、嗅觉感知的实现2019年4月，

Feelreal为其FeelrealMultisensoryVRMask再次发起了众筹并大获成功。Feelreal

MASK产生如烧焦的橡胶和火药，薰衣草和薄荷等，开发商计划提供多达255种气味。Feelreal

Mask有五个版本，分别支持Oculus

Rift、HTC

Vive、Sony

PSVR、Samsung

Gear

VR和Oculus

Go。图片处理5.1.3嗅觉与味觉感知的进展5.1产品日益丰富1、嗅觉感知的实现Feelreal使用超声波电离系统制造水雾，可以根据虚拟环境喷洒在用户身上，可以模拟下雨、海洋喷雾、森林中的雾气，甚至是一些地下城生物向体验者吐痰。Feelreal的微型冷却器和微型加热器可产生温度和模拟天气功能，可以感受到热气息或微风。图片处理5.1.3嗅觉与味觉感知的进展5.1产品日益丰富2、味觉感知的尝试从理论上说，如果想让用户在虚拟世界有嗅觉和味觉的感受，不需要制造真实的气味和食物，而是直接通过传递信息到神经中枢，让用户感受到“我闻到了什么，我嗅到了什么”。图片处理5.1.3嗅觉与味觉感知的进展5.1产品日益丰富2、味觉感知的尝试新加坡国立大学首席研究员拉纳辛哈（Nimesha

Ranasinghe）说：“味觉是人类不可或缺的基本感觉之一，味觉传播几乎是闻所未闻，因为味觉缺乏数字可控性。”该团队正在研究一种新的味觉技术。这种新方法被称为数码味觉接口，包含两个主要模块，其中一个是控制系统，可以配置不同性质的刺激，包括电流、频率和温度。据拉纳辛哈说，把这些刺激结合起来，就可以欺骗味觉传感器，让它们以为正在体验和食物有关的感觉，但事实上，它们只是在体验第二模块传递的温度变化和电刺激，第二个模块叫做“舌头接口”，是两片薄薄的金属电极。通过这种方法，酸、咸、苦的感觉是电刺激模拟，薄荷味、辣味和甜味是通过热刺激模拟。图片处理5.1.3嗅觉与味觉感知的进展5.1产品日益丰富2、味觉感知的尝试图片处理5.1.3嗅觉与味觉感知的进展5.1产品日益丰富2、味觉感知的尝试洛杉矶Kokiri

Lab公司推 的Project

Nourished项目，已经设计 未来虚拟餐饮大餐，用户戴上头盔，骨传导传感器绑定在用户脖子上，可以模仿咀嚼的动作。通过软组织和骨骼作为传输通道，咀嚼的感觉被从佩戴者的嘴部传送到耳膜。一旦进入到虚拟世界，芳香扩散器会利用超声波和加热的方式，散发 各种美食的香味。图片处理5.1.3嗅觉与味觉感知的进展5.1产品日益丰富2、味觉感知的尝试Kokiri

Lab解释称：“我们对美食的感知来自不同的感官，这些感官又源自我们对所吃下食物的视觉、味觉、听觉以及气味、纹理等的反馈。通过分离各种气味，并重塑食物的口味和纹理剖面，再与虚拟现实、芳香扩散以及感官相结合，我们就可以模仿惊人的饮食体验。”Project

Nourished已经可以接受预订。38虚拟现实技术概论5.2虚拟现实技术在各领域中的应用5.2.1教育领域5.2.2军事领域5.2.3工业领域5.2.4文化与娱乐5.2.5医疗5.2.6城市规划5.2.7科学计算可视化图片处理5.2.1教育领域5.2各领域中的应用各大公司布局从国际上来看，虚拟现实产品公司早早地盯上了教育市场。Google宣布了Expeditions

Pioneer项目，向老师们提供所需的全部设备，利用虚拟现实技术带领学生们展开各种各样的冒险之旅苹果在卖硬件的同时想用iBooks取代教科书。日本某地小学与三星合作，利用Gear

VR免费为学生提供礼仪教学美国zSpace公司也是一家为VR教育提供解决方案的典型公司。图片处理5.2.1教育领域5.2各领域中的应用各大公司布局电子游戏用于教育有很大的潜力。《模拟城市》和MathBlaster已被应用于美国的小学教育。微软沙盒游戏Minecraft的教育版本，希望让学生们通过玩游戏的同时学习知识。在美国，人们对于能帮助学生学习的游戏的观念正在改变，教育界也有不少人看好Minecraft给学生补充知识的能力。第二人生（Second

Life，简称SL）是一部模拟真实社会的大型多人在线角色扮演平台，作为一种沉浸式游戏学习环境，SL

应用在合作式学习中具有较大的发展潜力。图片处理5.2.1教育领域5.2各领域中的应用应用表现模拟训练虚拟实验室虚拟学习环境虚拟图书科学研究图片处理5.2.2军事领域5.2各领域中的应用最早的应用领域军事仿真训练与演练是VR技术最重要的应用领域之一，也是VR技术应用最早、最多的一个领域。美国国防部将VR技术列为21世纪保证美军优势地位的7大关键技术之一。将VR技术应用干军事演练，带来了军事演练观念和方式的变革，推动了军事演练的发展。图片处理5.2.2军事领域5.2各领域中的应用应用表现不同时期有代表性的分布式虚拟战场环境系统图片处理5.2.2军事领域5.2各领域中的应用特点虚拟现实军事模拟训练系统是运用以虚拟现实技术为核心的新一代模拟训练系统，强调受训人员以第一人称高度沉浸在模拟环境中，“身临其境”是其最显著的特点:以超高清晰度、超大视场角的显示设备加上听觉、触觉、嗅觉、味觉等感知设备为特色的综合演练系统。受训人员可以第一人称与模拟场景中的对象进行自然的交互。（3）720°全景及全要素动态场景模型。（4）集中式模拟与分布式模拟、单项训练与联合作战训练高度结合。图片处理5.2.2军事领域5.2各领域中的应用组成虚拟现实军事模拟训练系统按功能要求分为环境感知与态势侦测分系统、场景动态模型与数据分发分系统、中央控制分系统、虚拟现实态势显示分系统、虚拟现实头盔显示分系统、沉浸式交互输入与反馈分系统、效能评估分系统等七个组成部分。图片处理5.2.2军事领域5.2各领域中的应用训练内容虚拟现实军事模拟训练系统作为连接战争准备和实战之间的桥梁，根据不同的训练对象和训练任务，可以满足不同训练内容的需要。单兵技能训练。武器装备维检培训。红蓝对抗演练。理论验证。图片处理5.2.2军事领域5.2各领域中的应用训练内容战争和游戏，本质上并无不同，虚拟现实技术用于军事模拟训练将有力推动军事智能化。虚拟现实军事模拟训练系统就是综合运用虚拟现实技术，在视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等方面为受训人员生成一个极为逼真的未来战争虚拟环境，模拟未来战争可能发生的各种情况，提高受训人员处理各种高危和突发事件的能力。目前，军事领域仍然是VR技术应用最迫切、应用系统开发最多的领域之一，随着美军未来作战系统FCS（future

combatsystem）概念的提

以及各种新装备的研制，对于如何利用VR技术进行新装备下的平台级和协同式训练提 了更高的要求，这也必将对VR技术的研究产生新的更大的推动。图片处理5.2.3工业领域5.2各领域中的应用应用表现推动工业4.0时代需要加快工业生产向智能化方向的发展，而虚拟现实技术的 现给工业领域带来深层次的技术支持。虚拟现实技术已经改变工厂生产的展示形式，虚拟工厂系统的成功开发，从工业生产到机械设备的运作状态，从工况监测数据到产品的装配、调试环节，都能实现三维立体可视化，让生产场景真实地呈现在人们眼前。图片处理5.2.3工业领域5.2各领域中的应用应用表现虚拟现实在工业中的应用主要有以下五个方面：工厂规划数据可视化虚拟装配虚拟培训虚拟维护图片处理5.2.4文化与娱乐5.2各领域中的应用应用表现虚拟现实技术在文化产业的应用领域非常广泛，在创意的支持下，未来将形成了一个产业应用矩阵，主要包括以下几方面:实物再现。内容娱乐。设计创意。新闻 版。连接互动。图片处理5.2.4文化与娱乐5.2各领域中的应用应用表现虚拟现实技术使艺术手段更加丰富，为人类精神文化生产产生更多的可能。文化产品是为人类内心需求服务的，通过虚拟的生活解决现实生活中满足不了的精神文化需求，这是未来文化生产的一种方向。虚拟现实技术将在四个方面推动文化产业的进一步发展：一是推动文化产品的内容创新；二是推动文化产品的外在形式的创新；三是激发消费者新