虚拟现实
虚拟实境（英语：virtual reality，缩写VR），又称为虚拟技术，也称虚拟环境，是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉等感官的模拟，让使用者感觉仿佛身历其境，可以即时、没有限制地观察三维空间内的事物。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的三维世界影像传回产生临场感。该技术整合了电脑图形、电脑仿真、人工智能、感应、显示及网络并列处理等技术的最新发展成果，是一种由电脑技术辅助生成的高技术模拟系统。
目录
概念来源
术语“人造现实（Artificial reality）”，由迈伦·克鲁格（Myron W. Krueger）创造，并从20世纪70年代使用至今。然而，术语“虚拟现实”的起源可以追溯到法国剧作家，诗人，演员，和导演安托南·阿尔托。在他知名著作《戏剧及其重影（The Theatre and Its Double）》中（1938），阿尔托将剧院描述为“虚拟实境（la réalité virtuelle）”；美国作家埃里克·戴维斯将虚拟现实称为“角色、物体、图像在炼金术师的颅内幻想中律动”。阿尔托称“在几乎所有炼金术书籍中发现的对物质及戏院原理的永恒隐喻都应理解为身份的一种表述……而这种表述存在于角色、图像大体构成了戏院致力打造的虚拟现实和炼金术符号进化的纯虚构和虚幻的世界。”
这个词也被用在达米恩·布罗德里克（Damien Broderick）于1982年出版的科幻小说《The Judas Mandala》中，但其中使用的范围与上述定义有些不同。由牛津词典列举的最早使用是在1987年的一篇题为“Virtual Reality”的文章，但讲的却不是如今意义上虚拟实境技术。现在用法的“虚拟实境”是由杰伦·拉尼尔和他的公司VPL Research创造并推广的。VPL Research持有许多80年代中期的VR技术专利，他们开发了第一个被广泛使用的头戴式可视设备（Head Mount Display，HMD）EyePhone和触觉输出设备数据手套（DataGlove）。
虚拟现实的概念是由电影比如《头脑风暴（Brainstorm）》、《割草者（The Lawnmower Man）》才逐渐向大众普及的。20世纪90年代的VR研究热潮是伴随着霍华德·莱恩格尔德（Howard Rheingold）的非小说类书籍《虚拟实境》（1991）。这本书将这个名词去神秘化，使得更易于初级技术者和爱好者理解。
历史
1950年之前
虚拟实境的概念首先来自于斯坦利·G·温鲍姆（Stanley G. Weinbaum）的科幻小说《皮格马利翁的眼镜（Pygmalion's Spectacles）》，被认为探讨虚拟现实的第一部科幻作品，简短的故事中详细地描述了包括嗅觉、触觉和全息护目镜为基础的虚拟现实系统。
1950年至1970年
莫顿·海利希（Morton Heilig）在50年代创造一个“体验剧场”，可以有效涵盖所有的感觉，吸引观众注意屏幕上的活动。1962年，他建立一个原型被称为Sensorama，五部短片同时进行多种感官（视觉，听觉，嗅觉，触觉）。Sensorama是机械装置，据说今天仍在使用。大约在同一时间，道格拉斯·恩格尔巴特使用电脑屏幕当作输入和输出设备。
1968年，伊凡·苏泽兰与学生Bob Sproull创造第一个虚拟现实及扩增实境头戴式显示器系统。这种头戴式显示器相当原始，也相当沉重，不得不被悬挂在天花板上。该设备被称为达摩克利斯之剑（The Sword of Damocles）。
1970年至1990年
早期的虚拟现实中，值得注意的是阿斯电影地图（Aspen Movie Map），它由麻省理工学院于1978年创建，背景是科罗拉多州阿斯彭，用户可以徜徉在三种街头模式：夏季、冬季和三维模式。前两个模式无论春夏秋冬由研究人员实际拍摄城市街道每一个运动。
Atari公司在1982年成立虚拟现实研究实验室，但是两年后关闭。然而汤姆·齐默尔曼，斯科特·费舍尔，贾瑞恩·拉尼尔仍持续对虚拟现实相关技术的研究和开发。
到了80年代，贾瑞恩·拉尼尔（Jaron Lanier）使“虚拟现实”广为人知。拉尼尔于1985年创办VPL Research研究几种虚拟现实设备，如数据手套、眼睛电话、音量控制。
在此期间，虚拟现实并不广为人知，媒体报导在80年代末逐渐增加。虚拟现实来自边缘文化，例如赛博朋克视为社会变革的潜在手段，毒品文化则称赞虚拟现实不仅是一种新的艺术形式，更是一个全新的领域。虚拟现实开始吸引媒体的报导，人们开始意识到虚拟现实潜力。有些媒体甚至将虚拟现实与莱特兄弟发明飞机相比。
1990年，Jonathan Waldern在伦敦亚历山德拉宫举行的电脑图形90展览会展示“虚拟性”（Virtuality）。这个新系统是种街机，使用虚拟耳机。
1990年至2000年
1991年，SEGA发行SEGA VR虚拟现实耳机街机游戏和Mega Drive。它使用液晶显示屏幕，立体声耳机和惯性传感器，让系统可以追踪并反应用户头部运动。
同年，游戏Virtuality推出，并成为第一大多人虚拟现实网络娱乐系统。它在许多国家发行，包括旧金山内河码头中心一个专门虚拟现实商场。每台Virtuality系统成本为73,000美元，包含头盔和外骨骼手套，是第一个三维虚拟实境系统。
麻省理工学院科学家安东尼奥·梅迪纳设计一个虚拟现实系统，从地球“驾驶”火星车，尽管信号严重延误。该系统被称为“电脑模拟遥控操作”，是虚拟现实的延伸。
1991年，罗莱·克鲁兹·内拉（Carolina Cruz-Neira），丹尼尔·J·桑丁和Thomas A. DeFanti在电子可视化实验室创建第一个可视化立方房间，人们可以看到周遭的其他人。
1994年，SEGA发行SEGA VR-1运动模拟器街机，它能够跟踪头部运动并制造立体3D图像。
1994年，苹果发布QuickTime VR格式。它是与VR广泛连结使用的产品。
1995年7月21日，任天堂完成Virtual Boy并在日本发布。
1995年，西雅图一个组织创造一个“洞穴般的270度沉浸式投影室”，称为虚拟环境剧场。1996年，同一系统在Netscape Communications主办展览会中发表，首次展示虚拟现实连接到网络，内容提要与VRML 3D虚拟世界相连结。
1995年，个人电脑供电的虚拟现实耳机VFX1 Headgear出现，它支持游戏包含天旋地转、星球大战：黑暗力量、System Shock和雷神之锤 (游戏)。
1999年，企业家菲利普·罗斯戴尔（Philip Rosedale）组织林登实验室（Linden Lab），最初的重点是硬件，使电脑用户完全沉浸在360度虚拟现实中。
2001年-至今
2001年，SAS3或SAS Cube成为第一个桌上型电脑立体空间，由Z-A生产，2001年4月在法国拉瓦尔完成。
2007年，谷歌推出街景视图，显示越来越多的世界各地全景，如道路，建筑物和农村地区。一个立体3D模式在2010年推出。
2010年，帕尔默·拉奇创办欧酷拉，设计虚拟实境头戴式显示器Oculus Rift。
2013年，任天堂申请专利，提出使用虚拟现实技术概念使2D电视拥有更逼真的3D效果。
2015年7月，OnePlus成为第一家利用虚拟现实推出产品的公司。他们用虚拟现实的平台推出OnePlus 2，在谷歌应用程序Play商店，YouTube上发布。
2016年4月27日，Mojang宣布Minecraft可以在三星Gear VR上使用。
2016年7月，宏达电与电玩商Valve推出个人电脑VR眼镜产品HTC Vive。
2016年7月，指挥家VRconductorVR发布全球首个大空间多人交互VR行业应用。
2018年1月，上海一个团队首先突破技术难点，于CES大会上推出了商用化的个人8K解析度电脑VR眼镜，两眼各4K，有效消除了近距观看显示器时人眼的纱窗效应。
技术与设备
一般的虚拟实境设备至少包含一个屏幕、一组感测器及一组计算元件，这些东西被组装在这个设备中．屏幕用来显示仿真的影像，投射在使用者的视网膜上、感测器则用来感知使用者的旋转角度、计算元件则收集感测器的资料，决定屏幕显示的画面为何。
额外的设备可能包括一台高阶电脑，用以补充计算元件的不足。 也可能有一对把手及定位器，用以侦测使用者的位置。
对屏幕最重要的要求是反应时间，目前电脑、手机等设备所使用的屏幕多为 TFT-LCD，反应时间太长难以满足虚拟实境的要求，这也是行动虚拟实境最大的挑战．当前所知效果最好的屏幕为 OLED，但全世界能够达到足够品质要求的公司寥寥无几。
截至 2016 年，至少超过200 家科技公司在开发 VR 相关产品。 例如知名科技巨头亚马逊、苹果、脸书、谷歌、微软、索尼和三星等都有专门的 AR 和 VR 小组。由于大部分虚拟实境技术都着重在视觉体验上，因此系统中的屏幕将借由显示器分辨率、影像延迟时间、屏幕刷新率和屏幕与人眼视野的对应关系等四项特性会强烈影响参与者的沉浸体验。例如当显示器的分辨率以及刷新率过低时，影像由于不流畅呈现方式，仍会让参与者可以识别影像为虚拟影像，而不够宽广的屏幕视野则会让人有机会在特定角度下，非自愿性的脱离虚拟影像，进而影响沉浸感。
视觉沉浸式体验
沉浸理论
沉浸理论（Flow theory）在1975年由Csikszentmihalyi在其著作Beyond Boredom and Anxiety中所提出，其书中解释为何当人们在进行某些日常活动时会完全投入情境中，并过滤掉所有不相关的感知与其它可能与外界产生的交互行为，此时参与者的感觉系统以一种与在真实环境中相同的方式来处理来自虚拟世界的视觉、听觉、触觉、嗅觉及味觉等感知行为。
有研究指出人们常会运用五感来做为非语言的讯息交流方式处理外界信息，而五感中的视觉约占83%、听觉约占11%、其他触觉、嗅觉及味觉则会小于6%，因此也造就许多虚拟游戏系统的硬件设备皆以视觉刺激来触发参与者的沉浸感为主。
显示器分辨率
最小分辨率角(Minimal Angle of Resolution)，表示屏幕上两个像素之间的最小距离，在该距离以下观察者可清楚检视这两个独立的像素点，同时此两像素点的最小可分辨距离也同时会与观察者的观赏距离有关，通常 MAR 以弧秒为单位测量。对于一般民众而言，分辨率约为 30-65 秒的弧度，加上距离，就是常讲的空间解析度。如果用实际数字做粗略计算，观察者分别在距离1m和距离2m的地方观赏为范例，在1m的观赏距离，当两点间距小于0.29mm，一般人眼即无法清楚分辨出两个像素，而在2m的地方，点间距则要分开至0.58mm以下才会达到一样的效果。
影像延迟时间与屏幕刷新率
大多数小尺寸的 LCD 屏幕所使用的60Hz 刷新率大约会引入约15 ms的额外延迟。如将刷新率提升至 120Hz 甚至 240Hz以上，显示器的延迟时间将降至 7ms 以下，因此能大副提升参与者的沉浸感，但在提高刷新率的同时，图形处理器（graphics processing unit, GPU）也要有能力可以处理高帧数 (frames per second, fps)的画面。
屏幕与人眼视野的对应关系
除了够细致的画面外，另一个需要考虑的要素是人眼的“视野”，人类单眼可以接收的视野在水平视角部分约是120度，上下垂直则约为135度。如果同时考量到左眼和右眼的视野交集的部分，会有120度左右的范围是立体视觉（Stereopsis），因此整体来说，在双眼同时运作的情况下，人眼看出去的视野约有200度 x 135 度的范围，但由于大部分是周边视野（Peripheral vision），而周边视野的落差会因人而异，采用平均值160度的水平视野会是比较保守的估算。因此在人眼不移动同时不转动的情况下，一般参与者的视野范围至少会有160度x 135 度的立体空间，而此视野刚好为360度全方位视野的1/6。
应用场景
影视影业
当前，虚拟现实技术在影视制作中的应用，主要是通过构建出可与影视场景交互的虚幻三维空间场景，结合对观众的头、眼、手等部位动作捕捉，及时调整影像呈现内容，继而形成人景互动的独特体验。由于目前 VR 影业尚不成熟，在实际制作中会遇到许多困难，如导演人选、拍摄无分镜、剧情的呈现方式等。近年来LED显示屏的点间距、亮度、不受限于尺寸与形状的限制等优势，开始被全球厂商陆续采用，建置成XR (Extended Reality) 虚拟摄影棚或LED显示屏虚拟摄影棚，进行无论电视、电影、商业广告等拍摄，使导演、演员、灯光师、摄影师等幕前幕后工作人员能快速融入拍摄场景，提升现场的视觉沉浸感，并大幅降低后制的时间与成本。
网络直播
传统方式的视频直播中，观众往往不能全方位了解直播对象周围环境状况，无法切身感受现场氛围，而 VR 直播将活动现场还原到虚拟空间中，其优势在于：
- 身临其境，借助 VR 头显，观众可以身临其境的在现场观看比赛，增加观众观看节目的趣味性；
- 自由选择位置和角度，时刻关注自己感兴趣的场景；
- 互动性强，VR 直播的‚现场‛氛围要远远高于普通显示屏观看，在这种现场气氛的烘托下，观众的情绪极易被充分调动，增加观看愉悦感。
此外，VR 直播也面临着多种挑战，如全景相机拼接算法尚不成熟、对网络环境要求较高、传输格式标准未统一带来的渲染制作和编解码等诸多环节问题。
线下主题馆
VR 线下主题馆将传统电竞与虚拟现实技术相结合，结合大空间光学动作捕捉系统、精确的多相机同步管理运算系统与特殊体感交互设备等，玩家可以化身为游戏中的虚拟角色，在特定游戏场景中自由行动，同时借助本地网络环境或云平台，让多人、多地的在线合作或对抗成为可能，极大增强了游戏可玩性和趣味性。
数字展馆
传统展馆多采用展品陈列、图片展示、人员讲解等方式向观众传达信息，难以实现多角度欣赏、近距离观看功能，很难快速吸引观众兴趣。虚拟现实技术与展馆展示相结合，不仅体现了其开放、共享、多媒体呈现的特点，数字化呈现实体展的全部内容，还突破实体展的时空局限性，利用图文、视频、三维模型等深度资料，对重点展品进行延展和补充，加强了可视化的网络互动体验，使得展览内容更丰富和多样。
文物保护
将虚拟现实技术应用于文物保护工作，可以建立数字化的文物保护方法，为文物的保存、修复和展示提供了新的技术手段，让历史得以数字化再现，文明得以信息化传承。如2017 年，兵马俑实施了200亿像素360°全景兵马俑坑展示工程和AI秦始皇兵马俑复原工程。其中200亿像素360°全景兵马俑坑展示工程采用了矩阵全景技术，收录了兵马俑的一号坑和三号坑的高精度全景图资料。
科研教学
相比传统的训练方式，医学生使用实体（如小白鼠）解剖的成本不低，且通常无法重复利用。虚拟现实技术则可以帮助医学生在虚拟手术台上反复练习，虽然仍无法完全取代真实练习，但已经可以作为预习和强化记忆的手段，具备在医学领域推广应用条件。
课堂教学
在教育场景，虚拟现实技术可通过自然的交互方式，将抽象的学习内容可视化、形象化，为学生提供传统教材无法实现的沉浸式学习体验，提升学生获取知识主动性，实现更高的知识保留度。目前，教育已成为虚拟现实应用行业中发展最快也是最先落地的领域，随着政策的鼓励和市场的驱动，预计虚拟现实教育市场还将持续增长。
运维巡检
工业生产制造过程中，为维护设备安全稳定运行而展开的运维巡检工作量非常巨大，虚拟现实技术的到来，使生产人员可以通过安全的数据可视化头显对设备运转状态、生产环境以及潜在隐患等关键信息进行监测和排查，有利于全面、准确、实时了解整体生产制造情况，从而提高生产安全系数和生产效率。
安全消防
虚拟现实技术的发展填补了安全消防教育在感知交互需求方面的空白，通过构造出特定的安防培训场景，将传统的教学元素如图形和数据嵌入到生动虚拟环境中，通过模拟特定的危险情景，更容易激发体验者的紧张感并提升专注度，强化事故演练效果。
自动驾驶
在不能无限扩大自动驾驶测试车队规模的情况下，通过虚拟现实技术模拟真实道路环境进行测试成为业界主流解决方案，如使用 NVIDIA DGX 和 Tensor RT 3 进行仿真，工程师可以加快道路测试，加快自动驾驶汽车研发量产进度。
产品设计
以工业互联网或物联网平台为基础，虚拟现实成为实现数字孪生（Digital Twins）的核心技术之一。依托特定工具软件可以在虚拟空间中构建出与物理世界完全对等的数字镜像，成为将产品研发、生产制造、商业推广三个维度的数据全部汇集的基础，实现了数据信息与真实物理环境间的互动，为进行阶段性数据验证、业务流程参考的提供了重要支撑。
商业营销
虚拟现实+商业营销是利用虚拟现实技术，使消费者获得逼真的感官体验，充分调动消费者的感性基因，从而影响其消费决策。虚拟现实+商业营销分为线上和线下两种方式。线上营销是电商 2.0 版，VR/AR电商通过三维建模技术与VR/AR设备以及交互体验，可以带给消费者更好的消费体验，线下营销则是在产品的实体店或是展示活动现场利用VR/AR设备给消费者带来有趣的互动体验，增加消费者的兴趣与购买欲。例如房地产行业，通过使用虚拟现实技术，看房者在线上即可浏览房源的全貌，步入房间查看细节，除了沉浸式的体验之外，还可以得到房间长、宽、高、年限、周边配套等全方位数据展示，便于全面掌握房屋信息；对于开发商或中介商来说，通过分析用户行为数据，可实现房源精准推销的同时节省人力资源投入成本，有助于提升业务成交效率和企业运营收益。
健康疑虑
过度使用可能对身体健康造成伤害。 目前最广为人所知的是一种称之为“VR晕”的症状，意思就是连续使用 VR 产品超过一段时间（或为大约20分钟），即会产生类似晕车般头晕目眩的效果。这种症状是由于视觉所看到的影像与身体内部感知到的状况不一致所造成。例如一个人的身体内部感知觉得往前跨了一步，但视觉上的影像并没有如预期般后退，视觉影像与人体预期感觉发生冲突，像这样不一致的状况维持超过一段时间就会产生头晕的症状，避免长时间佩戴VR设备。
