刘银娟 党荔舟 姚威风 寇蔻
中联西北工程设计研究院有限公司 陕西西安 710077
摘要：随着互联网技术和人工智能技术的迅猛发展，VR（虚拟现实）逐渐成为各行业发展新的信息技术方法。本文简述VR技术，论述其在工业领域的应用和挑战，并对其在未来的发展作了展望。
关键词：VR；虚拟现实；交互
1 VR技术简介
Virtual Reality（简称VR，虚拟现实）是以计算机技术为核心，综合应用各种技术制造逼真的人工模拟环境，并有效地模拟人在自然环境中的各种感知系统行为，用户借助必要的装备与模拟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。VR技术是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的融合，是一门富有挑战性的交叉技术[1]。
1.1 特征
VR技术有3个基本特征：沉浸、交互和想象。1）沉浸性是指虚拟现实提供给用户一个真实的虚拟环境，用户在其生理和心理的角度上，对虚拟环境难以分辨真假，有逼真、身临其境的感觉；2）交互性是指用户实时地对虚拟空间的对象进行操作和反馈；3）想象性是指用户在虚拟环境中根据自己与物体的交互作用，对未来进行想象，可再现真实环境，也可以随意构想客观不存在的环境。
1.2研究问题
VR技术的本质作用就是“以虚代实”，通过复制、仿真现实世界，构造近似现实世界；用户通过与虚拟世界的交互, 体验相对应的现实世界，影响现实世界。这一过程要解决三个问题：（1）VR中的建模（现实世界仿真）, 是一个有结构的人工计算机输入过程，也是一个算法、公理系统；（2）VR对象的表现，是有结构的数据输出流（虚拟的现实世界），也是一个算法、数据变换；（3）人或外部世界对虚拟环境的控制（交互）, 是有结构的数据输入流，与交互设备密切相关。这一过程的实现需采用以下的支撑技术：传感器技术、执行器技术、实时图学技术、景色产生技术、VR软件开发技术、VR系统集成技术[2]；所以具体应用场景的VR技术开发要借助计算机技术及其他各种相关技术，并且需要突破很多硬件软件技术的瓶颈。
1.3国内外发展概况
50 多年来，各国在VR技术和产业的投入都在不断加大。以美国为首的先锋引领全球虚拟现实领域的高速发展，从70年代起，美国对虚拟现实的相关研究进行了持续资助，并在军事、航空航天等领域开展了应用，并于2008年将虚拟现实列为21世纪人类面临的重大工程挑战问题之一。日本于2007年发布“创新2025”长期战略报告，也将虚拟现实列为重点发展的科技方向之一。美国研发倾向在感知、用户界面、后台软件和硬件等；日本着重在VR 知识库和虚拟现实的游戏方面；欧洲各国纷纷建立虚拟现实实验室，将虚拟现实与不同行业技术相结合[3]。
我国对VR 技术也相当地重视，在政策、资本、技术、用户、内容、渠道等力量的推动下，研究VR的创业团队呈爆发式增长，工信部 2016 发布的《虚拟现实产业白皮书》显示，2015 年中国虚拟现实行业市场规模 15.4 亿元，2020 年预计超过 550 亿元，2017年国家发布的《关于促进移动互联网健康有序发展的意见》里也提到，要“加紧人工智能、虚拟现实、增强现实等新兴移动互联网关键技术布局，尽快实现部分前沿技术、颠覆性技术在全球率先取得突破”。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆无论在中国还是世界，VR 产业都正迎来难得的发展机遇。
2 VR技术在工业领域的应用与挑战
随着 VR 技术不断发展, 其研究内容已涉及到多项学科领域。目前已经广泛应用于医疗、军事、航天航空、游戏、房产建筑、教育、娱乐等行业领域。
2.1 VR在工业领域的应用
VR技术在工业领域发展不足，钢铁冶金行业尚处起步阶段。VR技术在工业中的应用主要为：设计、制造装配、操作维护以及产品展示、辅助安全培训等。（1）VR在冶金、煤炭、石油、电力、化工等领域的产品的设计以及工程设计等方面具有明显的优点，计算机在产品零部件开发和工程整个设计过程中广泛使用，计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助装配规划(CAAP) 等是产品生命周期里广泛使用的计算机系统。传统方式人们用CAD、CAM、CAAP软件工具仿造出一群实物的立体形象，并在显示屏上看到它们，但是人们在屏前所作的任何动作(如前后走动、做手势等 )都不会对这群立体形象产生影响，人们并不能与这群实物所形成的环境进行交互；通过VR技术的应用可以大大提高CAD、CAM、CAAP处理能力，利用VR软件在运行时所显示出来的是含有立体信息的实物群，你在配用传感器件和作用器件后就能进入这一虚拟环境，并浸入其中。整个设计的过程是高度集成的，机电产品中涉及的各工程领域，例如冶金成套设备等大型复杂机械装备的设计、部件的装配、液压控制模块的设计、电子电器部件的集成等都可以在这个环境中进行。可以更好地实现交互、实时的产品和工程设计评估，及时发现设计中存在的问题。并且可以重复利用系统设计成果和原型系统，改进流程和设计水平，及时根据用户偏好与要求修改，缩短开发周期，降低开发费用，改进投资回报效果。VR技术也可使制造或生产车间的装配或维修工人能访问实时生成的信息，比如复杂机构的安装步骤、特定设备的分类和修复步骤指导等，保证了工人的安全和自主性，并且大大地提高准确性和效率。（2）VR技术可以非常逼真地演示大型复杂机械装备的原理、复杂精密零件的工艺流程，减少实际操作中出现的错误；可以演示产品，展示最新科技成就，突出产品的特点和优势, 提高产品和服务的竞争能力。VR的培训系统可以提高培训和操作的安全性, 尤其能提供没有物理危险的真实的培训，避免真实环境中可能遇到的危险、不可行的培训项目或高昂的费用。
2.2 VR在工业领域应用的挑战
尽管VR技术在工业行业的优点很明显，但是其成熟是需要时间的，而且有很高的技术难度。VR 技术在工业领域的挑战表现在：（1）技术尚未完全成熟，关键问题亟待解决。尽管几十年来技术已经取得很大进展，但离舒适、安全、高效的目标还存在很大距离。主要还是VR硬件和软件技术需要突破很多瓶颈。（2）具体在工业中应用，还存在产品工程设计方案与VR 技术衔接的问题，因为各工业领域工程人员对VR技术上认识不足，VR技术需要专门的技术团队支持，并且VR系统中涉及大量感知数据，实时采集、融合、处理和分析这些数据，这客观上要求必须针对不同工业的特点开发专门的VR技术，并密切与各工业领域的工程设计人员配合，另外专门的VR开发人员也必须是交叉学科复合型人才，目前这方面的人才缺乏，这些都将影响其在工业应用的发展。（3）VR技术产品开发需要拥有更亲民的价格，更强大的内容体验和交互手段以及强大的资本支持与市场推广，但是目前许多工业应用统筹管理欠缺，分散开发。
3展望
VR技术应用于不同的工业领域时，要结合该行业、领域的特点，研究与不同应用场景模型相结合的方法和技术。随着未来科学技术的不断深入，VR技术将会得到更为广泛的发展，未来能够发挥巨大的作用，在更多的社会服务领域得到运用。
参考文献：
[1]邹湘军, 孙建, 何汉武. 虚拟现实技术的演变发展与展望[J]. 系统仿真学报, 2004,16(09): 1905-1909.
[2]刘锦德 敬万钧. 关于虚拟现实-核心概念与工作[J].计算机应用1997,17(03):1-4.
[3]虚拟现实纵览专刊.虚拟现实产业爆发的前夜[J]，中国科学：信息科学，2016,46(12):1774-1778.
论文作者:刘银娟,党荔舟,姚威风,寇蔻
论文发表刊物:《防护工程》2018年第34期
论文发表时间:2019/3/4
标签：技术论文; 虚拟现实论文; 领域论文; 工业论文; 环境论文; 世界论文; 用户论文; 《防护工程》2018年第34期论文;