摘要：作为沉浸式数字应用的核心技术之一，虚拟技术为连接数字虚拟世界与真实世界搭建了桥梁，在通信，数据处理等技术突破的支撑下，沉浸式数字应用定会在未来爆发式增长。本文梳理了虚拟现实产业的研发现状和混合现实的应用场景，并从相关设备设计，全息显示方面涉及的技术方案进行分析和总结。

关键词：虚拟现实技术，技术方案，应用场景

1虚拟现实技术研发现状

1.1虚拟现实技术：虚拟现实、增强现实、混合现实

虚拟现实技术被认为是引领全球新一轮产业变革的重要力量，是经济发展的新增长点。据工信部消息，2021年我国虚拟现实市场规模预计将达544.5亿元。国内统称的虚拟现实产业包括了VR虚拟现实、AR增强现实、MR混合现实等技术及其产业应用[1]。

虚拟现实（VR-Virtual Reality）是由计算机视觉、仿真技术、人机交互等多种信息技术所构成的VR设备模拟产生的一个三维的虚拟空间，提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟，使用者可以完全穿越沉浸在一个虚拟的世界，但无法看到真实的世界。

增强现实（AR-Augmented Reality）是VR技术的延申，能够把计算机生成的虚拟信息叠加到真实的环境中，使用者可以与虚拟信息互动，以此来增强视觉效果。

混合现实（MR-Mixed Reality）是AR技术的升级，将虚拟世界和现实世界合并后形成数字与物理对象共存的、可交互的全新可视化环境，其中的物理实体和数字对象满足真实的三维投影关系。在MR中，技术的最终目标是做到能让使用者难以分辨真实世界与虚拟世界的边界。

1.2虚拟现实系统组成

虚拟现实系统包含三个层面，软件应用层，硬件设备层，网络通信层。

在上游的设备硬件厂商中，英特尔、AMD、高通和英伟达等已推出支持VR的芯片，也推出了相应的开发工具，为虚拟现实技术的发展提供了强有力的支撑。输入设备是使用者与硬件设备间通信的纽带，使用者的环境信息通过输入设备传递到硬件设备。常见的输入设备有操纵杆、数据手套和运动追踪器。输出设备向使用者呈现虚拟环境并进行反馈，包括视觉、听觉、触觉，甚至是味觉的信息输出[2]。

在网络通信层，由于5G技术的推出，在未来，信息通信交互的可靠性、带宽、时延等技术指标可以达到许多场景的实现要求。

在软件应用层中，谷歌、微软、Magic Leap等科技公司一直在开发虚拟现实的软件应用平台，从最开始的Google Glass项目，到微软的Hololens和Magic Leap的第一代产品，使得虚拟现实技术与现实生活越来越近。

2混合现实（MR）应用场景

MR技术作为一种通用型的技术，在很多的行业内都能找到与技术结合的可能。基于混合现实技术的全息展示和空间定位等特性，目前在工业、展览、医疗、教育、建筑等行业中有着较多的业务应用需求。

2.1工业应用

随着工业4.0、智能制造的进行，越来越多的企业开始寻求智能化的工业优化升级技术，而MR技术正能够为工业生产提供发展的动力，并成为提升生产力的重要的工具。可以帮助工业管理者，工业设计者，工业生产工人等提高生产效率。例如，在日常的真实工作环境中为工人提供他们需要的信息，包括但不限于岗位操作培训、设备维护手册、生产数据以及远程专家的指导等，能够让工人方便获得更多信息的同时，释放双手进行操作。

2.2展览应用

对于企业来说，利用MR技术展示自家的产品，通过交互式的全息化可视化内容，可以直观，真实的展示产品的结构和特点，非常适合体积庞大、结构复杂、精密昂贵的产品。通过MR技术，解决了这些产品不便于携带和拆解的问题，让客户看到实物或者了解到内部的结构，看到产品的诸多细节，以最好的效果实现展览的目的。

2.3医疗应用

同样在医疗场景中，MR技术的也有广阔的发展空间，比如在手术的过程中，通过MR眼镜，医生可以方便的查阅病人的资料，相关部位的3D模型等内容。全息化展示医疗影像数据，将平面的影像立体化，可以更好的帮助医生判断。特别是年轻医生的培养，通过MR技术模拟手术过程，相对在手术实际操作中，能以较低的成本让年轻医生得到较好的锻炼，积累宝贵的经验。

2.4教育应用

普通教育中，让学生在MR技术产生的环境中，全息互动式完成知识点的学习，一方面能够激发学生们的兴趣和热情，另一方面能够让学生们更好的掌握一些复杂、抽象的知识点，加深对学习内容的记忆。相对于普通教育，职业教育的细分领域对于MR技术的需求更为明显。对于技能操作培训，现实环境中可能没有充足的硬件和时间的条件。MR技术可以将培训的教学内容虚拟化，并与教学现场的环境和实物结合在一起，通过这样的方法辅助学生掌握操作方法。

2.5建筑应用

建筑是由空间定义，建筑在空间中是立体的，只是通过2D的电脑屏幕查看相关的内容，十分局限。MR技术让建筑的3D模型来到现实，使用者可以在真实环境中更加自然的体验和理解建筑的设计理念。甚至在建筑的施工现场，通过全息投影来评估施工的精度，为建筑行业的未来带来巨大的想象空间。

3技术方案

虚拟现实技术发展到今天，虽然离大部分产品宣传片里的效果还有很大的差距，但发展的方向已经很明确。现在的技术瓶颈不是软件开发的问题，而是没有一套切实可行的微全息投影的技术方案。

3.1虚拟现实技术的设备形态：独立式与分布式

独立式指的是设备内置处理器、显示屏等部件，能够独立运行；分布式指的是将PC、移动设备、云端作为计算和存储，设备只是独立的显示部件[3]。在方便携带和设备尽可能轻便的条件下，分布式是较好的选择，把大部分的计算量交给了有更强计算能力的设备。技术成熟时，还可以通过5G技术实现低延时的数据传输。分布式设备的设计也许是未来主流的解决虚拟现实技术设备体积大的技术方案。

3.2全息投影

目前市场上能买到的最好的设备是微软的Hololens2和Magic Leap的one，这两家企业对光波导技术的采用和设备的量产，以及光学模组厂商DigiLens、耐德佳、灵犀微光等融资消息的频繁披露，导致光波导的讨论热度也持续增加了不少[4]。目前全息光波导技术的生产工艺极端复杂，成本较高。实现全息投影，让MR/AR设备走向消费级，关键是材料的问题，即如何制造出一种轻便且成本不高的材料满足使用中视角，分辨率等要求。 

4结束语

科技的发展不会停止，虚拟现实技术将持续发展，在这个行业有许多人都在为实现电影里的场景而在奋斗着，在大众都能够消费得起的虚拟现实科技产品出现之前，这个行业还需要些时间。虽然前景展望的十分美好，但虚拟现实技术发展还是需要面对一定的问题，一是核心技术的深度开发问题；二是信息安全问题，虚拟现实使用场景中涉及到许多个人隐私信息，这些信息需要得到保护。各个行业已经意识到虚拟现实技术能够带来的技术优势，丰富的应用需求将给虚拟现实技术的发展带来巨大的动力，未来将会出现更多高价值应用，拭目以待。