田 金，陸 平

（青島大學(xué)美術(shù)學(xué)院，山東 青島 266071）

引言

三維虛擬仿真技術(shù)簡(jiǎn)稱為虛擬仿真技術(shù)，又稱為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或者模擬技術(shù)。它就是利用一個(gè)虛擬系統(tǒng)來(lái)模仿一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)實(shí)際上是一種計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)造和體驗(yàn)虛擬世界。這種虛擬世界由計(jì)算機(jī)生成，模擬的可以是現(xiàn)實(shí)世界，也可以是人設(shè)想出的世界，體驗(yàn)者通過(guò)自己的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及觸覺(jué)等多種感官與虛擬世界進(jìn)行交互，體驗(yàn)“身臨其境”的感受。三維虛擬仿真技術(shù)的逼真性、虛擬性、互動(dòng)性與沉浸性的特征，充分滿足了現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展需求。并且由于虛擬仿真技術(shù)綜合性的特點(diǎn)，也決定了其可以與多種技術(shù)相融合，從而形成新的技術(shù)，并應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。隨著三維虛擬仿真技術(shù)的不斷改進(jìn)和發(fā)展，其在現(xiàn)代社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，不僅在影視、設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)、軍事等傳統(tǒng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，而且在互聯(lián)網(wǎng)營(yíng)銷、游戲開(kāi)發(fā)等前沿領(lǐng)域也得到了極大的關(guān)注和應(yīng)用。在人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的歷史進(jìn)程中，三維虛擬仿真技術(shù)正發(fā)展成為一項(xiàng)不可或缺的前沿技術(shù)，在科學(xué)技術(shù)發(fā)展如此迅猛的時(shí)代，它的作用不可忽視。

1 三維虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展方向

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，簡(jiǎn)稱VR，是虛擬仿真技術(shù)中一個(gè)重要的發(fā)展方向。在20世紀(jì)80年代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)，它是一種綜合性的集成技術(shù)，涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用電腦模擬生成一個(gè)三維的虛擬世界，可以逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界（甚至是不存在的）的事物和環(huán)境，為用戶提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官上的仿真，使用者在這個(gè)虛擬世界中觀察事物而不受限制，并且可以通過(guò)人體的肢體運(yùn)動(dòng)來(lái)操作，從而與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。在VR設(shè)備上，由于虛擬現(xiàn)實(shí)是一個(gè)純虛擬場(chǎng)景，所以VR設(shè)備主要用于用戶和虛擬場(chǎng)景之間的交互，包括位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)、數(shù)據(jù)頭盔等。VR技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)學(xué)、游戲等領(lǐng)域。該技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用具有重要意義，比如在實(shí)際動(dòng)手術(shù)之前，外科醫(yī)生可以使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在顯示器上反復(fù)模擬手術(shù)，移動(dòng)虛擬人體器官，探索最佳手術(shù)方案，提高手術(shù)的精準(zhǔn)度。

1.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，簡(jiǎn)稱AR，是一種實(shí)時(shí)計(jì)算攝影機(jī)影像的位置和角度并添加上相應(yīng)的圖像的技術(shù)。它通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)將虛擬信息應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界，真實(shí)環(huán)境與虛擬對(duì)象被實(shí)時(shí)地重疊到同一個(gè)畫(huà)面或空間，不僅顯示真實(shí)世界的信息，而且同時(shí)顯示虛擬的信息，兩種信息相互補(bǔ)充。在設(shè)備方面，由于AR是真實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景的組合，所以基本上需要相機(jī)，在攝像機(jī)拍攝的圖像基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬畫(huà)面進(jìn)行展示和交互。目前AR技術(shù)的應(yīng)用也比較多，比如谷歌公司在2012年發(fā)布的一款產(chǎn)品——谷歌眼鏡（Google Project Glass），就是一款增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)類的穿戴式智能眼鏡，另外，在2016年一款風(fēng)靡世界的游戲——Pokemon Go就是一款A(yù)R游戲。VR與AR的主要區(qū)別就在于“虛擬”與“增強(qiáng)”的區(qū)別，所謂“虛擬環(huán)境”就是除了使用者本身是真實(shí)的以外，其他事物都是虛擬的，是由計(jì)算機(jī)所模擬的；而“增強(qiáng)環(huán)境”則是除了使用者本身是真實(shí)的，其他大部分事物也是真實(shí)的，只是某一個(gè)或幾個(gè)事物是模擬出來(lái)的虛擬事物。

1.3 混合現(xiàn)實(shí)

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，簡(jiǎn)稱MR，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)虛擬，指的是現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界融合后而產(chǎn)生的新的可視化環(huán)境，在真實(shí)世界、虛擬世界和使用者之間建立一個(gè)交互反饋的信息環(huán)路，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)性。MR技術(shù)與VR技術(shù)、AR技術(shù)的不同之處，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）呈現(xiàn)的場(chǎng)景和人物都是假的，將你的意識(shí)帶入到一個(gè)虛擬世界；而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）呈現(xiàn)的場(chǎng)景和人物一部分是真的，一部分是假的，是將虛擬的信息帶入到了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中[1]；混合現(xiàn)實(shí)（MR）具備環(huán)境自適應(yīng)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)全息影像和真實(shí)環(huán)境的融合，它并不能為用戶帶來(lái)沉浸感，其真實(shí)感完全依靠全息影像和真實(shí)環(huán)境的完美契合來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，MR技術(shù)比AR、VR技術(shù)更高級(jí)。目前MR技術(shù)的研究者和研究成果都相對(duì)較少，在硬件方面主要成果有微軟公司在2015年推出的Hololens混合現(xiàn)實(shí)頭顯設(shè)備，以及基于微軟混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)的多款應(yīng)用程序。但是Hololens直到2016年底才開(kāi)始預(yù)購(gòu)上市，并且價(jià)格昂貴，這也是制約混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的主要原因之一。

1.4 全息投影

全息投影技術(shù)，又稱為虛擬成像技術(shù)，是一種基于干涉和衍射原理實(shí)現(xiàn)物體三維圖像的記錄與再現(xiàn)的技術(shù)。我們所熟知的全息投影技術(shù)的應(yīng)用主要在演唱會(huì)上。在2010年，日本著名的虛擬偶像初音的首場(chǎng)演唱會(huì)就是通過(guò)全息投影技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。2013年，周杰倫在自己的演唱會(huì)上利用全息投影技術(shù)實(shí)現(xiàn)了與鄧麗君隔空對(duì)唱。但是，這些應(yīng)用在演唱會(huì)上的所謂“全息投影”并不是真正的全息投影技術(shù)，它們真正的名字叫佩伯爾幻像，雖然它與真正的全息技術(shù)產(chǎn)生的效果有一定的相似，但與真正的“全息投影”相差甚遠(yuǎn)。佩伯爾幻像是一種巧妙的光學(xué)錯(cuò)覺(jué)技術(shù)，它使用一種傾斜到不同角度的光學(xué)材料來(lái)折射光源以形成特定的視覺(jué)效果，觀眾只能在特定的角度觀看，而真正的全息投影不需要一個(gè)特殊的介質(zhì)就可以在上面的空氣中顯示圖像，并且不會(huì)影響任何角度的清晰度，而且人還能從畫(huà)面中穿過(guò)。我們經(jīng)常在科幻電影中看到這樣的場(chǎng)景：演員輕輕揮一下手，眼前就會(huì)出現(xiàn)一塊虛擬的屏幕，屏幕上的內(nèi)容不僅可以自由地切換，甚至可以與數(shù)千英里以外的人進(jìn)行面對(duì)面的交談，這就是真正的全息投影技術(shù)。

目前全息投影技術(shù)大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，“介質(zhì)”問(wèn)題極大地限制了全息投影技術(shù)的發(fā)展，像電影中我們看到的全息投影顯示技術(shù)距離現(xiàn)實(shí)生活還很遙遠(yuǎn)。商詢科技CTO鄔浩曾在關(guān)于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的演講中說(shuō)到，裸眼看到的全息畫(huà)面，這才是將來(lái)的趨勢(shì)，現(xiàn)在所有眼鏡式的3D虛擬技術(shù)，都是為實(shí)現(xiàn)全息投影的一個(gè)過(guò)渡技術(shù)，全息投影技術(shù)才是真正我們需要的技術(shù)。

1.5 CG電影

CG電影是指電影本身在真實(shí)場(chǎng)景中拍攝，主要由真人現(xiàn)場(chǎng)表演、但運(yùn)用許多虛擬場(chǎng)景和特效的電影。通常的技術(shù)手法是利用CG技術(shù)在傳統(tǒng)電影中添加虛擬場(chǎng)景、角色、事物和特效，以達(dá)到真假難辨和增強(qiáng)視覺(jué)效果的目的。隨著CG技術(shù)的不斷完善，CG技術(shù)已成為電影特效制作最常用的技術(shù)之一，在電影后期制作中占據(jù)較大的比例。在強(qiáng)大的CG技術(shù)的幫助下，技術(shù)人員可以毫無(wú)違和感地做出在現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的真實(shí)場(chǎng)景，通過(guò)人臉置換技術(shù)有效地解決演員在一些專業(yè)動(dòng)作上的欠缺。在電影《復(fù)仇者聯(lián)盟》中就使用了大量的CG特效，制作團(tuán)隊(duì)根據(jù)紐約的照片，用強(qiáng)大的CG技術(shù)打造了一個(gè)虛擬而逼真的紐約市，演員在攝影棚內(nèi)搭設(shè)的綠幕背景前表演，后期制作將真實(shí)內(nèi)容與CG特效結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了以假亂真的紐約大爆炸場(chǎng)景。

2 三維虛擬仿真技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)營(yíng)銷中的應(yīng)用

2.1 虛擬看房

虛擬看房主要是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR），在移動(dòng)終端或顯示器上三維立體地查看房間。該技術(shù)致力于打造足不出戶，就有親臨現(xiàn)場(chǎng)般的看房體驗(yàn)，改變了以往通過(guò)售樓處和房產(chǎn)中介看房的模式，給購(gòu)房和租房者帶來(lái)了很大的便捷，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于房產(chǎn)行業(yè)。2018年4月鏈家網(wǎng)推出了一款房產(chǎn)平臺(tái)“貝殼找房”，它的獨(dú)特之處就在于自主研發(fā)的VR看房功能，這是VR三維虛擬仿真技術(shù)在中國(guó)房產(chǎn)領(lǐng)域的首次大規(guī)模應(yīng)用。打開(kāi)貝殼找房APP上的VR房源，點(diǎn)擊屏幕上任意位置即可獲得包括房屋真實(shí)空間尺寸、朝向、遠(yuǎn)近等信息，還能了解到小區(qū)周圍的教育、醫(yī)療等配套信息。同時(shí)，貝殼找房中還具有講解以及和房產(chǎn)經(jīng)紀(jì)人實(shí)時(shí)連線交互的功能，大大提高了看房的效率。

在技術(shù)層面上，VR看房使用了配備結(jié)構(gòu)光傳感器的拍攝設(shè)備，將結(jié)構(gòu)光投射在真實(shí)空間中，通過(guò)拍攝采集空間中的結(jié)構(gòu)光形態(tài)特征，從而獲得真實(shí)空間的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和多曝光高清晰度彩色照片。這些數(shù)據(jù)和照片也將實(shí)時(shí)返回到服務(wù)器，后期使用三維重建技術(shù)和算法，自動(dòng)進(jìn)行模型構(gòu)建、智能空洞填補(bǔ)、全自動(dòng)數(shù)據(jù)提取，以及HDR優(yōu)化等，就可以得到用戶在手機(jī)上看到的真實(shí)空間。貝殼找房副總裁惠新宸說(shuō)，貝殼找房的拍攝技術(shù)已經(jīng)比較成熟，比如100 m2的房間，只需要40 min即可完成拍攝。VR看房的出現(xiàn)，不僅為消費(fèi)者提供了更高品質(zhì)的移動(dòng)終端看房體驗(yàn)，而且節(jié)省了消費(fèi)者的時(shí)間、精力和成本，可以做到隨時(shí)隨地想看就看。更為重要的是，VR看房功能的推出有助于推動(dòng)VR產(chǎn)業(yè)的再次繁榮和應(yīng)用落地。

2.2 虛擬看車

虛擬看車技術(shù)是利用AR技術(shù)，通過(guò)3D建模、渲染，以最大程度地為用戶還原展示汽車的真實(shí)效果，將車輛三維真實(shí)化地顯現(xiàn)在屏幕上。AR看車功能可以720°的觀察汽車的外觀和內(nèi)飾，還可以查看車輛道路模擬數(shù)據(jù)、車輛參數(shù)等信息，為用戶帶來(lái)了不一樣的瀏覽體驗(yàn)。AR看車功能打破了傳統(tǒng)選車購(gòu)車只能通過(guò)圖片瀏覽及逛4S店的模式，實(shí)現(xiàn)720°無(wú)縫立體真實(shí)汽車瀏覽，車輛性能線上體驗(yàn)，運(yùn)用技術(shù)手段滿足了用戶選車和購(gòu)車的需求。2017年，汽車之家推出了AR看車功能，不僅可以三維立體地展示汽車的外觀、內(nèi)飾、空間等，而且可以模擬汽車在道路上行駛的狀態(tài)，對(duì)車輛變速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、減震、上坡等車輛性能進(jìn)行數(shù)據(jù)展示。

在技術(shù)層面上，AR看車技術(shù)在手機(jī)攝像頭的幫助下，能夠?qū)⑵嚹Ｐ蛯?shí)時(shí)地放置在真實(shí)空間中，實(shí)現(xiàn)與真實(shí)環(huán)境更好的融合效果，看起來(lái)就像在真實(shí)環(huán)境中一樣逼真。使用SLAM技術(shù)，可以達(dá)到環(huán)繞查看、遠(yuǎn)近透視的效果；結(jié)合手勢(shì)交互，隨意擺放、控制，還可實(shí)現(xiàn)車身?yè)Q色、模擬路跑等功能。汽車之家董事長(zhǎng)兼CEO陸敏表示，將AR技術(shù)應(yīng)用到汽車咨詢和數(shù)據(jù)平臺(tái)是汽車之家在技術(shù)應(yīng)用方面的一個(gè)重要進(jìn)展，使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以增強(qiáng)汽車的展示和提升用戶的體驗(yàn)，降低經(jīng)銷商的營(yíng)銷成本，提升效率。

2.3 虛擬網(wǎng)購(gòu)

虛擬網(wǎng)上購(gòu)物技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和輔助傳感器來(lái)生成交互式的三維購(gòu)物環(huán)境，可以給消費(fèi)者帶來(lái)沉浸式的購(gòu)物體驗(yàn)。三維虛擬購(gòu)物被認(rèn)為是融合傳統(tǒng)購(gòu)物和網(wǎng)上購(gòu)物的有效形式，前者受時(shí)間和地點(diǎn)及有限商品的制約，后者則受限于商品的真實(shí)性和適用性，兩者的結(jié)合開(kāi)創(chuàng)了一種新的購(gòu)物模式，讓消費(fèi)者在虛擬購(gòu)物世界中看到的一切都像在實(shí)體店看到的一樣真實(shí)。Buy+是淘寶推出的一款全新的功能，它是利用VR技術(shù)真實(shí)還原購(gòu)物場(chǎng)景的一款應(yīng)用，通過(guò)手機(jī)APP和佩戴VR眼鏡，人們可以試穿衣服、試戴配飾，甚至可以選擇心儀的家具擺放在自己的家里查看效果，大大提升了網(wǎng)購(gòu)的體驗(yàn)，旨在與商家一起構(gòu)建一個(gè)VR生態(tài)網(wǎng)購(gòu)系統(tǒng)。

在技術(shù)層面上，VR網(wǎng)購(gòu)利用TPMS三維建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速建模，采用高性能的渲染還原技術(shù)，利用TMC三維動(dòng)作捕捉技術(shù)捕捉消費(fèi)者的動(dòng)作，并從虛擬環(huán)境中得到反饋，從而實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)中的交互。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種動(dòng)作捕捉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了消費(fèi)者與虛擬世界中的人和物直接進(jìn)行交互。同時(shí)，未來(lái)的VR購(gòu)物也會(huì)增加聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等五感的模擬技術(shù)，給虛擬購(gòu)物體驗(yàn)的升級(jí)帶來(lái)無(wú)限可能。

3 結(jié)語(yǔ)

伴隨著各種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的批量上市，虛擬仿真在2016年迎來(lái)了爆發(fā)式增長(zhǎng)，特別是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在近兩年的發(fā)展勢(shì)頭迅猛，有一種說(shuō)法稱“2016年是VR元年”，可見(jiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的火爆程度。面對(duì)如此炙手可熱的新市場(chǎng)，中國(guó)科技企業(yè)及相關(guān)機(jī)構(gòu)也給予了相當(dāng)?shù)闹匾暋?016年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)在北京召開(kāi)，旨在推動(dòng)全球虛擬現(xiàn)實(shí)與3D成像、顯示技術(shù)及行業(yè)應(yīng)用的深入發(fā)展。根據(jù)華爾街對(duì)金融市場(chǎng)的分析，到2030年VR的市場(chǎng)份額將達(dá)到1 100億美元，在智能設(shè)備的所有類別中排名第二位?；乜催^(guò)去的發(fā)展，PC經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展才完全進(jìn)入到人們的生活中，其市場(chǎng)銷量在2010年已經(jīng)達(dá)到頂峰。而智能手機(jī)只用了5年的時(shí)間里就超過(guò)了PC過(guò)去20年的銷量，從2007年起，智能手機(jī)行業(yè)經(jīng)過(guò)9年的發(fā)展達(dá)到了一個(gè)高增長(zhǎng)的時(shí)期。這說(shuō)明智能設(shè)備滲透市場(chǎng)的速度在不斷加快。未來(lái)包括VR、AR以及所有虛擬仿真技術(shù)領(lǐng)域的智能設(shè)備將不斷地涌現(xiàn)，必然會(huì)顛覆人們的生活方式。虛擬仿真行業(yè)能否超過(guò)智能手機(jī)的市場(chǎng)份額，讓我們拭目以待。

虛擬仿真雖然前景明朗，但仍存在許多局限性和不足。首先虛擬仿真缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，內(nèi)容呈現(xiàn)形式多樣，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備之間還無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源共享和互聯(lián)互通。然后就是虛擬終端設(shè)備良莠不齊，好的設(shè)備價(jià)格昂貴，很少有人愿意花太多錢只是為了“娛樂(lè)”一下；價(jià)格便宜的設(shè)備，體驗(yàn)效果不佳，根本達(dá)不到用戶的需求。我國(guó)雖然從事虛擬仿真領(lǐng)域的公司有幾百家，但大多都是技術(shù)類的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，對(duì)行業(yè)的商業(yè)模式和應(yīng)用落地并沒(méi)有成型的構(gòu)建，產(chǎn)品化能力還比較欠缺。再就是各個(gè)方向的發(fā)展不均衡，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的研究團(tuán)隊(duì)比較多，硬件和軟件方面成果顯著，市場(chǎng)應(yīng)用也比較廣泛；而混合現(xiàn)實(shí)和全息投影則發(fā)展得比較緩慢，大多技術(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，需要投入大量的人力、財(cái)力來(lái)加快發(fā)展，實(shí)現(xiàn)真正的裸眼3D虛擬的目標(biāo)，將是未來(lái)發(fā)展的方向。目前虛擬仿真行業(yè)仍處于起步階段，供應(yīng)鏈及配套還不夠成熟，但其發(fā)展前景廣闊，未來(lái)的市場(chǎng)潛力巨大。每一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的更新迭代都代表著新的機(jī)遇，虛擬仿真技術(shù)作為一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)，必將開(kāi)啟一個(gè)新的時(shí)代。