虛擬現實(VR)技術：下一個時代的開啟？

作 者 | 張小麗 史敏峰 專利審查協作北京中心

(本文系知產力獲得獨家首發授權的稿件，轉載須徵得作者本人同意，並在顯要位置註明文章來源。)

一、VR技術概況

VR的界定

VR在20世紀60年代被首次提出，是Virtual Reality的簡稱，字面解釋為虛擬現實，是指藉助計算機系統以及感測器技術生成一個三維環境，創作出一種嶄新的人機交互狀態，通過調動用戶的所有感官(視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等)，帶來更加真實的、身臨其境的體驗。

VR的核心是創造的內容，虛擬逼真，讓人參與其中，產生沉浸感，達到一種進入其他時空的感覺。VR可謂是創造了一個100%真實的封閉虛擬平台，比如說VR頭盔，通過切斷你的視覺輸入現實世界的路徑，將你帶入創造的虛擬的三維空間，打造「完全在場」的錯覺。

VR技術的特徵

多感知性，指除一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至還包括味覺、嗅覺、感知等。理想的虛擬現實應該具有一切人所具有的感知功能。

存在感，指用戶感到作為主角存在丁模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該達到使用戶難辨真假的程度。

交互性，指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度。

自主性，指虛擬環境中的物體依據現實世界物理運動定律動作的程度。

VR系統構成

虛擬現實技術系統是一個十分複雜的系統, 它所涉及的技術包括計算機圖形學、圖象處理與模式識別、智能介面、人工智慧、感測器技術、語音處理技術、網路、並行處理、系統建模模擬、系統集成等。一個典型的虛擬現實系統的構成如下圖所示。

其中:

①檢測模塊：檢測用戶的操作命令，並通過感測器模塊作用於虛擬環境。

②反饋模塊：接受來自感測器模塊信息，為用戶提供實時反饋。

③感測器模塊：一方面接受來自用戶的操作命令，並將其作用於虛擬環境；另一方面將操作後產生的結果以各種反饋的形式提供給用戶。

④控制模塊：對感測器進行控制，使其對用戶、虛擬環境和現實世界產生作用。

⑤建模模塊：獲取現實世界組成部分的三維表示，並由此構成對應的虛擬環境。

二、VR技術的應用

對於大部分人來說，現階段的虛擬現實設備更多的是作為「遊戲外設」被大家所認知的，當然像主流的頭顯設備Oculus Rift、HTC VIVE、PSVR等等主要針對也是遊戲玩家群體。即使這樣，也不意味著虛擬現實除了遊戲之外就別無用處，相反，其實虛擬現實技術已經在許多行業和領域當中得到運用，甚至已經在深刻影響和改變各個行業的格局。當你了解到已經有多少領域受到虛擬現實技術的影響後，就會發現這項技術其實離我們越來越近了。

如果遊戲沒有成為虛擬現實技術的主要用途，那麼必定非娛樂業莫屬。電影院的觀眾已經在享受3D電影了，但是有了類似Oculus Cinema的app，觀眾可以更加沉浸在電影體驗里。他們可以通過VR頭顯設備投射出的巨大虛擬屏幕看電影，就好像在自己的個人影院里。在圖像和聲音效果的包圍中，他們會覺得自己身臨其境。如果你是一個體育愛好者，虛擬現實平台公司LiveLike VR已經建成了虛擬球場，你可以在你舒適的沙發上和你的朋友們體驗比賽現場的激情。類似的，通過VR電影拍攝公司Next VR提供的服務，你可以身臨其境地觀看太陽馬戲團的表演，或者Codeplay的演唱會，遠離瘋狂粉絲的喧鬧。

醫療保健一直都是虛擬現實技術的主要應用領域。一些機構利用計算機生成的圖像來診斷病情。虛擬現實模擬軟體公司Surgical Theater and Conquer Mobile，使用CAT掃描或者超聲波產生的診斷圖像來生成患者解剖結構的3D模型。虛擬模型幫助新的和有經驗的外科醫生來決定最安全有效的方法定位腫瘤，決定手術切口，或者提前練習複雜的手術。

除了手術，虛擬現實可以用作一種高性價比而且有趣的康復工具。在歐洲中風和腦損傷的病人現在可以使用MindMaze創造的沉浸式虛擬現實療法恢復運動和認知能力，據該公司所說，恢復速度要比傳統的物理療法更快。MindMaze里的虛擬練習和實時反饋讓恢復過程好像是玩遊戲，有助於鼓勵患者每天練習活動。

美國航空航天局（NASA）的科學家有一個艱巨的任務：尋找其他星球上的生命。這就是為什麼他們希望用前沿的虛擬現實技術來控制火星上的機器人，以及提供宇航員一種方式來減輕壓力。在美國航空航天局噴氣推進實驗室，研究人員把Oculus Rift和Kinect 2的運動捕捉設備，以及Xbox One遊戲主機連接起來，來練習控制機械臂。據NASA說，這套設備有一天可以被用來控制火星車或者其他幾百萬英里以外的設備。通過往這套設備里添加Virtuix Omni跑步機，研究者也可以模擬在火星表面行走，讓宇航員為未來人類登陸火星做準備。

在2015年的消費電子展上，NASA使用該技術與公眾分享不同宇宙飛船裡面的體驗。人們可以通過虛擬現實看到該機構「太空發射系統」火箭頂部的「獵戶座」太空艙外的美景，而後者要2018年才能建成。

虛擬現實可以給我們的生活增添很多文化氛圍。該技術可以把用戶立刻傳送到巴黎盧浮宮，雅典衛城以及紐約市的古根海姆美術館，一天之內游遍。事實上，一些博物館已經與開發商合作創建虛擬空間，人們可以體驗到博物館的實體館藏。去年，倫敦大英博物館推出了第一個虛擬現實周末，紐約的美國自然歷史博物館也推出了一些可以通過谷歌的紙板眼鏡來欣賞的館藏。任何有一部智能手機和一個紙板VR頭顯的人都可以馬上參觀該博物館。

很多年以來，從設計過程到虛擬原型，汽車製造商一直在使用高科技模擬設備。使用Oculus Rift，福特汽車公司已經讓虛擬現實成為其汽車研發的中心。在密歇根州迪爾博恩的沉浸式實驗室，員工可以帶上虛擬現實頭盔來檢查汽車的內部和外部，也可以在汽車被生產出來以前坐在車裡體驗。這個虛擬現實原型系統允許來自不同部門的設計者和工程師們仔細檢查不同的元素，比如發動機和內飾，以及發現一些潛在的問題。　　

評審團成員可能再也不用通過查看平淡、二維的照片來評估犯罪現場。在三維中查看案發現場將有助於陪審員直觀地了解人與其他物體，比如子彈，是如何在空間中移動的。蘇黎世大學的研究者2014年在「法醫學、醫學和病理變化」期刊上發表了一篇論文，詳細描述了Oculus Rift在審判時根據描述重建犯罪現場方面的潛在用途。他們發現交互技術的使用讓人們更加容易想像和理解案件的細節，並幫助做出犯罪嫌疑人有罪與否的決定。

冥想和精神健康

通過虛擬現實程序冥想指導（Guided Meditation），使用者可以戴上Oculus頭盔，沉浸在一個放鬆的環境里。根據發表在美國精神病學雜誌上的一篇研究，這樣的冥想體驗可以減輕日常生活中的壓力和焦慮。研究者說，虛擬現實技術也可以成為一些更加嚴重的壓力疾病的治療工具，比如創傷後應激障礙和驚恐障礙，或者恐懼症。虛擬現實技術可以給患者提供一個安全、可控的環境讓他們接觸令他們害怕的事物。發表在2014年美國精神病學雜誌上的一項研究發現，對於遭受創傷後應激障礙折磨的退伍軍人來說，這樣的虛擬現實接觸療法本身的作用和虛擬現實療法與藥物結合的方法一樣好。

很多人已經對於在線購物網站很熟悉，但是像Trillenium一樣的虛擬現實應用將會成為消費者在線購物的下一站。這些應用可以提供整個商店的虛擬導遊，提高傳統在線購物的體驗。相對於傳統的通過查看網站目錄購物，消費者可以得到實時的購物體驗，甚至和朋友一起購物。該應用已經得到歐洲一家最大的在線零售商ASOS的注意。通過與Trillenium的合作，消費者很快就可以通過使用他們的頭盔從ASOS上購物，就像從亞馬遜上買東西一樣輕鬆。

美國軍方經常使用虛擬現實模擬器訓練士兵。虛擬戰場2和Unity 3D等遊戲的非商業性版本被用於製備部隊作戰。這種遊戲一樣的模擬允許團隊在使用真實世界的戰術裝備之前，在虛擬現實環境中練習合作達成目標。這種沉浸式環境非常重要，因為能夠抓住學員注意力的培訓往往效果更加持久，也更容易被理解。

三、相關專利信息

虛擬現實技術應用前景廣闊，潛在市場巨大，很多大型公司都進行了相關的技術研發，並申請了大量專利。面對潛在的中國大市場，各大公司紛紛開始專利布局，搶佔先機。從2000年至今的中國國內的虛擬現實技術專利申請量來看，2011年以前申請量處於相對較低的水平，其中2000-2004年間，年申請量平均50件左右，屬於技術起步階段；2005-2010年間，隨著液晶顯示技術的進步，虛擬顯示技術也有了一定的發展，平均年申請量上升到85件左右，屬於技術上升階段；2011-2015年，申請量逐年快速增長，2014年申請量達到了頂峰552件，2015年也僅是稍有下降，這一階段屬於虛擬現實技術逐漸進入大眾的視野，關注度也逐年提高，進入了技術相對成熟階段。

下圖示出了虛擬現實技術在中國申請的主要申請人分布情況，從時間分布上來看，對比國外和國內申請量最大的幾家公司，可以看出在2011-2015年間申請量有明顯的增長，雖然從數量上看國內企業與國外企業相比存在差距，但也表明國內企業在對技術熱點的敏感性以及科技創新的追求上是與國際接軌的。從數量分布來看，目前日本、美國處於明顯領先地位，其中申請量最大的幾家公司都是在顯示和互聯網領域佔有重要地位的大型公司，相比而言國內僅有2家公司上榜，從一定程度上也表明了國內企業在相關產品的研發和產業準備上存在差距。

虛擬現實技術的應用熱度逐步升高，但目前市場仍屬於開發階段。在日益蓬勃的互聯網技術帶動下，虛擬現實技術未來的發展趨勢將是更加多樣化和大眾化。

特別說明，本文中「VR技術的應用」

編譯自美國生命科學網livescience