虚拟现实：重塑现实与虚拟之间的界限

引言（Introduction）

虚拟现实（VR）技术已经从实验室的技术演示变成了广泛应用于娱乐、教育、设计等多个领域的实用工具。它通过创建一个完全沉浸的虚拟环境，为用户提供了前所未有的体验，突破了传统的现实界限。本文将详细探讨虚拟现实技术的基本原理、应用现状、面临的挑战以及未来的发展趋势，揭示这一技术如何重新定义我们对世界的感知和互动方式。

虚拟现实的基本原理（Basic Principles of Virtual Reality）

虚拟现实技术通过模拟真实世界或创造全新虚拟环境，让用户在视觉、听觉、触觉等方面获得沉浸式体验。其核心技术包括计算机图形学、传感器技术和人机交互技术。用户通常佩戴VR头盔，通过高度逼真的图像和声音，感受仿真的虚拟环境。

计算机图形学（Computer Graphics）

计算机图形学是虚拟现实的基础，它负责生成虚拟环境中的图像和动画。先进的图形处理单元（GPU）和渲染技术使得虚拟世界中的视觉效果更加逼真。高分辨率的显示屏和高刷新率的屏幕进一步提升了图像的质量，减少了视觉上的延迟和失真。

传感器技术（Sensor Technology）

传感器技术在虚拟现实中用于捕捉用户的动作和环境的变化。常见的传感器包括位置追踪器、加速度计和陀螺仪，这些传感器能够实时监测用户的头部和手部动作，将这些数据实时反馈到虚拟环境中，实现自然的互动。

人机交互技术（Human-Computer Interaction）

人机交互技术使得用户能够与虚拟环境进行互动。虚拟现实系统通常配备手柄、手套或其他输入设备，让用户能够在虚拟世界中操控对象、进行操作。这些输入设备能够识别用户的动作并将其转化为虚拟世界中的操作，实现沉浸式的互动体验。

虚拟现实的应用现状（Current Applications of Virtual Reality）

虚拟现实技术已经在多个领域得到了广泛应用，包括娱乐、教育、设计、训练等。这些应用不仅展示了VR技术的多样性，也突显了它在提高体验质量和效率方面的潜力。

娱乐领域的突破（Breakthroughs in Entertainment）

在娱乐领域，虚拟现实为用户提供了全新的游戏和体验方式。VR游戏能够让玩家身临其境地参与到虚拟的冒险中，与虚拟角色互动，体验前所未有的游戏感受。此外，VR还被应用于电影和音乐演出中，为观众带来沉浸式的视听享受。

教育和培训的革新（Innovations in Education and Training）

在教育领域，虚拟现实技术能够创建虚拟课堂和实验室，为学生提供实践操作的机会。学生可以在虚拟环境中进行科学实验、历史重现等，提升学习的趣味性和效果。此外，VR还被广泛应用于职业培训，如飞行员训练、医学模拟等，帮助学员在安全的虚拟环境中提高技能。

设计和制造的变革（www.zstyjy.cn）

虚拟现实在设计和制造领域的应用同样显著。设计师可以在虚拟环境中创建和修改产品原型，从而更好地理解设计效果和用户体验。制造业则利用VR进行虚拟装配和工艺验证，提升生产效率和产品质量。

虚拟现实面临的挑战（Challenges Facing Virtual Reality）

尽管虚拟现实技术具有广泛的应用前景，但在实际应用中仍面临诸多挑战。这些挑战包括技术限制、用户体验问题以及内容开发难度等。

技术限制（Technological Limitations）

虚拟现实技术的广泛应用受到技术限制的制约。例如，尽管当前的VR设备已经具备了较高的图像和音频质量，但仍难以完全消除延迟和失真。此外，VR设备的硬件成本较高，使得普通消费者难以普及。

用户体验问题（www.tiangya.cn）

用户体验是虚拟现实技术发展的关键问题之一。一些用户在使用VR设备时可能会感到晕动症，这是由于虚拟环境中的图像和现实世界的不一致导致的。此外，设备的佩戴舒适度和操作便捷性也对用户体验产生影响。

内容开发难度（Content Development Challenges）

虚拟现实内容的开发涉及大量的技术和艺术工作。创建高质量的虚拟环境需要先进的图形设计、动画制作和程序开发技术，而这些技术的开发和实施需要较高的成本和专业人才。因此，内容开发的难度和成本也是虚拟现实技术面临的一大挑战。

虚拟现实的未来发展趋势（www.sz1982.cn）

随着技术的进步和市场需求的变化，虚拟现实技术将不断演进，展现出更多的发展趋势。这些趋势将推动VR技术在各个领域的应用，并不断提升用户的体验。

更高的沉浸感（www.68home.cn）

未来的虚拟现实技术将继续提升沉浸感。通过更高分辨率的显示设备、更精准的传感器和更先进的渲染技术，用户将能够在虚拟环境中获得更真实的视觉和听觉体验。此外，触觉反馈和嗅觉模拟等技术的发展将进一步增强沉浸感。

增强的社会互动（Enhanced Social Interaction）

虚拟现实将越来越注重社交互动功能。未来的VR系统可能会集成更多的社交功能，让用户在虚拟环境中与其他用户进行实时交流、合作和互动。这将拓展虚拟现实的应用范围，使其不仅仅局限于个人体验，也能够满足社交需求。

跨平台的兼容性（www.591fa.cn）

为了提升用户体验，未来的虚拟现实技术将更加注重跨平台的兼容性。通过标准化和开放接口，虚拟现实设备和应用将能够实现更好的兼容性和互操作性，使得不同平台和设备之间的用户能够无缝地进行互动和共享内容。

环保和可持续发展（Environmental and Sustainable Development）

随着环保意识的提高，未来的虚拟现实技术将更多地关注环保和可持续发展。通过采用更节能的硬件和绿色制造工艺，虚拟现实技术将致力于减少对环境的影响，实现可持续发展。

虚拟现实技术正在重塑现实与虚拟之间的界限，为用户提供全新的体验方式。从技术原理到应用现状，再到面临的挑战和未来发展趋势，虚拟现实展现了其在各个领域的广泛应用潜力。随着技术的不断进步和应用场景的拓展，虚拟现实将不断提升用户的沉浸感和互动体验，带来更加丰富和多样的虚拟世界。

新产业催生新专业丨让“虚拟”照进现实

戴上特殊的眼镜或设备，学生在课堂上可以与历史人物“面对面”交流，普通人能够享受逼真的火星探险之旅，游客还能身临其境般“游览”千里之外的美景……作为构建元宇宙的基石，虚拟现实技术的广泛应用正在让更多梦想照进现实，深刻改变着人们的生活方式。

以虚拟现实技术为核心的相关产业也站在了发展“风口”。国家“十四五”规划纲要将虚拟现实和增强现实产业列为未来五年数字经济重点产业，赋予了产业新的历史使命；河南提出到2025年，全省元宇宙产业发展初具规模，核心产业规模超过300亿元；郑州也向“新”而行，将元宇宙作为20条重点发展产业链之一。产业的迅猛发展，使得虚拟现实技术人才需求随之“水涨船高”。

2020年，教育部将虚拟现实技术专业纳入本科专业目录，我省的郑州工程技术学院等几所高校紧跟产业步伐，于近两年开设此专业，培养虚拟现实技术应用型人才。

“虚拟现实技术就是大家熟知的VR技术，就像是通往数字世界的一扇大门，通过计算机构建一个逼真的虚拟环境，使用户能够感受到空间深度和物体的真实存在，并能够进行操作，具有沉浸式体验和交互性特点。”11月17日，郑州工程技术学院信息工程学院虚拟现实技术系主任张慧在接受记者采访时说。

文化娱乐、医疗健康、教育培训、建筑设计、影视制作……虚拟现实技术正逐渐渗透到生产生活的各个领域，并与各行各业相融合、提供强大支持。业内专家认为，“虚拟现实+”时代已经开启。

广泛的应用性，对人才培养工作也提出了高要求。学习虚拟现实技术专业，从计算机技术到3D建模、再到数字艺术设计，都要样样精通。

“我们通过程序设计基础、数据机构与算法、人机交互界面设计等课程为学生打下理论基础，同时开设有3D建模基础、虚拟现实开发工具、虚拟现实应用策划等，在实践操作中提升动手能力。”张慧说，学校还紧跟行业前沿为学生拓展增强现实（AR）等新兴技术，确保所学技能与行业发展接轨。

郭宗霖是郑州工程技术学院虚拟现实技术系2023级学生，自入校以来，他越来越感受到这个专业的魅力。“我们曾经到企业进行过一周的实训，看到这个专业不仅可以服务很多行业，而且掌握这个技术后就像是梦想建构师一样，能够帮助人们在虚拟和现实场景中切换，感觉很神奇，特别有吸引力。”

这几天，郭宗霖正在和同学们参与一个“数字孪生校园”的方案，计划利用虚拟现实技术“克隆”自己的校园。张慧介绍：“这也是我们和企业共同合作的一个实体项目，希望同学们在实际操作中边学习边运用，更加熟练地掌握各种技术。”

如今，在郑州金水科教园区，郑州元宇宙产业园项目正在热火朝天地建设中，河南的元宇宙产业发展越发蓬勃，虚拟现实技术未来将大有可为。“学校将进一步加强与企业合作，深化产教融合，共同培养具有扎实理论和较强实践技能的应用型人才，为我省发展新质生产力提供坚实的人才支撑。”张慧说。（记者 曹萍）

扩展现实技术在我国航天员训练中的应用（下）

扩展现实技术，是虚拟现实、增强现实和混合现实这3种技术以及其他类似沉浸式技术的统称，其创新应用在传统行业及数字化领域均有广阔的发展前景。近年来，在我国航天员训练中，虚拟现实技术及混合现实技术也得到应用。

上期内容中，我们介绍了虚拟现实技术在我国航天员训练中的应用，本期内容中，我们将继续介绍混合现实技术的应用。针对实物/半实物难以模拟的典型设备操作和故障排除等任务，利用混合现实技术，借助目前已有的实物、半实物模拟器环境，实现复杂设备智能虚拟辅助指导或智能定点定位引导操作，可应用于三维沉浸式天地远程支持。

混合现实技术是通过在现实环境中引入虚拟对象/场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间建立起一个交互反馈的信息回路，以扩展增强用户体验信息范围，具有真实性、实时互动性以及构想性等特点。

空间站任务中，航天员面临更加复杂的在轨维护维修、科学实验以及应急模式预案外的紧急排故等技能操作，不但对航天员的操作技能、协作技能提出了新的要求，更对复杂任务模式下的航天员支持保障手段提出了新的挑战。传统模式下航天员通过地面实物、半实物和数字仿真综合构建的模拟器进行技能训练，存在以下不足：

①空间失重模式下交互操作以及复杂典型故障等模拟程度有限或者难以在地面模拟；

②复杂任务的操作通常通过手动查看文字图片手册来进行，理解容易有歧义且无法高效工作；

③远程天地支持通常通过语音和有限实时视频图像进行，支持中的语义理解受到限制。

在航天员训练和支持中，借助目前已有的实物、半实物模拟器环境，增加实物难以模拟的场景，达到虚实融合，可以实现常规实物半实物难以模拟的典型设备操作和故障排除、失重运动操作、复杂设备智能虚拟辅助指导或智能定点定位引导操作、天地远程支持模式下三维沉浸式指导标注等功能。为适应空间站航天员典型训练和支持任务动态变化需求，设计并实现了便于快速配置和扩展研发的航天员混合现实训练与支持系统的技术框架。针对训练和支持的特因环境，研究实现了空间弱纹理以及失重模式下的纯视觉位姿估计算法；针对训练中的多人协同以及天地远程支持，解决了对象操作同步、Mesh Anchor虚实空间匹配、天地虚拟场景虚虚匹配等关键技术，为当前工程任务完成提供了支持途径。

航天员混合现实训练聚焦地面训练和在轨支持2种模式。

地面训练模式主要在目前已有实物、半实物模拟器基础上，通过MR头盔实时渲染生成的三维标注信息对复杂设备操作进行虚拟导引，提高航天员操作效率与准确性；模拟损伤性火灾场景等典型性故障，用于航天员应急处置；模拟失重模式下设备操作状态，用于航天员熟悉在轨作业状态；用虚拟模式补充模拟舱内工程实物、半实物实现难度大的设备，构建真实的在轨空间环境。

在轨支持模式除复杂设备操作自主导引外，重点实现天地协同定点定位的三维协同支持。航天员佩戴MR头盔，实时下传操作场景，地面根据下传图像建立Mesh空间与预先虚拟场景进行虚虚匹配，在与空间一致的相对坐标位置进行虚拟信息的实时设置，上传虚实叠加导引，指导航天员定点定位操作。

依据航天员地面和在轨训练需求，科研团队设计了面向多人协同以及远程支持的混合现实训练与支持技术框架，研制了基于增强现实的航天员远程专家辅助系统，该系统为航天员复杂操作训练提供实时远程专家多模式支持，并在空间实验室任务组合体训练模拟器内进行实验验证。结果表明，与传统电子手册模式相比，可以提高航天员执行复杂工作的效率。

基于设计的体系框架，针对典型任务训练，实现了出舱活动程序、应急火灾、环控生保在轨可更换单元、科学机柜在轨可更换单元以及控制力矩陀螺维修等任务的混合现实训练支持单机诱导程序。

航天员佩戴便携式混合现实眼镜，通过语音或手势指令与混合现实系统进行交互。混合现实系统对环境信息进行分析，得到可视化语义指导信息，叠加到现实环境中。航天员可通过透射式眼镜获取混合现实引导场景。

航天员混合现实训练系统根据场景理解模块识别结果及场景定位信息，记录采集图片在真实环境中的位置，调用引导信息库和引导模型库中相关设备的操作引导流程，在采集图片位置上进行叠加。具体方式为依据识别出的模型类型，从引导信息库和模型库中提取相关虚拟模型，然后将虚拟模型放置在识别出的边界框中，并投射至采集图片的位置上。如图所示，虚拟模型在混合现实场景中叠加在真实设备上，并显示虚拟箭头，引导航天员对设备进行操作训练。

航天员可以通过MR协同模式进行多人训练与操作，地面专家可以通过MR远程支持模式对在轨航天员进行三维标注沉浸支持，提高支持效率和精准性。执行任务的航天员表示作为一种新颖训练手段，MR操作使用便捷方便，对解放双手和复杂程序引导有直观的辅助支持作用，提高了训练质量和效率，可以作为在轨自主训练和应急支持手段。

原标题：《扩展现实技术在我国航天员训练中的应用（下）》