1.1.3　VR和AR的研究现状

虚拟现实技术仍然是目前的研究热点，国内外高校和公司都在关注虚拟现实技术的发展。总体来说，美国、德国、日本等国家在虚拟现实技术方面发展较早，而我国在虚拟现实技术方面起步较晚，但发展很快，在某些领域，大有后来居上之势。研究单位主要以北京航空航天大学、浙江大学、清华大学等院校为主。

1．美国的研究现状

虚拟现实技术发明于美国，同其他高新技术一样，美国首先将虚拟现实技术用于军事训练、航空航天培训（宇航员、飞行员和相关维修人员培训等）的各种模拟训练系统的研发。

20世纪80年代，以美国国防部和美国宇航局为首推动了虚拟现实技术在军事和航天方面的快速发展，取得了显著成就。美国宇航局Ames实验室对虚拟现实技术的发展起到了重要的作用[23]。1984年启动了虚拟视觉环境显示（virtual visual environment display，VIVED）项目，1986年开发了虚拟界面环境工作站（virtual interactive environment workstation，VIEW）。此外，Ames实验室还改造了HMD以及数据手套，使得这些设备能够进入工程化应用阶段。该实验室已经逐步建成了航空航天VR训练和维修系统。目前Ames正在开发一款模拟地外行星的VR系统——虚拟行星探索（virtual planetary exploration，VPE）[24]，用户可以通过浏览器，足不出户地访问不同的行星系统，如图1-15所示。

进入20世纪90年代以后，美国将虚拟现实技术转向民用技术的发展，许多高校和研究机构开始了虚拟现实相关的研究，并且催生了大量虚拟现实公司。北卡罗来纳大学计算机系[25]是虚拟现实研究领域比较著名的团队之一，主要在航空模拟驾驶、建筑仿真优化和外科手术仿真治疗等方面进行了深入研究。罗马琳达大学的医学中心[26]将虚拟现实技术用于神经疾病方面的研究，将数据手套作为手部颤动测量工具，并将手部运动实时地显示在计算机上，进而进行诊断分析。斯坦福研究院（Stanford Research Institute，SRI）[27]主要从事虚拟现实硬件的研究，包括定位设备、视觉显示器、光学设备、触觉和力反馈设备、三维输入输出设备等。SRI还利用虚拟现实技术进行军用飞机和车辆的驾驶训练，通过虚拟仿真降低事故率。乔治·梅森大学[28]研制了一套动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。施乐公司[29]将虚拟现实和增强现实技术用于未来办公室项目，设计了一套虚拟现实窗口辅助办公系统。

近年来，以谷歌、脸书（Facebook）和苹果为首的科技公司在虚拟现实领域展开了激烈的市场竞争，发布了多款虚拟现实设备，将虚拟现实技术应用于手机、平板电脑等移动设备，使得虚拟现实技术能够走入千家万户，为用户带来前所未有的体验。

美国波音公司通过虚拟现实技术为波音737 Max 10探索更好的加工工艺，在虚拟现实环境下，能够为飞机的装配工艺提供更好的指导[30]。

2．欧洲的研究现状

在欧洲，以德国、英国和瑞典为首的发达国家积极开展虚拟现实技术的理论研究和实际应用。

德国FhG-IGD图形研究所和德国计算机技术中心主要从事虚拟现实技术的研究，包括虚拟感知、虚拟环境下的控制、虚拟现实在空间技术方面的应用、虚拟训练等[31]。他们还开发了一套测试平台，用来评估虚拟现实技术对未来系统和操作界面的影响。此外，德国还将虚拟现实技术用于传统制造业的改造，可以降低产品的设计和制造成本，避免返工和研发风险，提高企业竞争力。此外，通过虚拟现实技术还可以进行员工培训，降低企业培训成本。

英国虚拟现实技术[32]在分布式并行处理、外部设备的设计和应用等方面处于领先地位。以内容生产、生活服务、技术引导为核心的虚拟现实和增强现实公司在教育、医疗、制造、金融等行业都有着很大的优势。

瑞典研发的DIVE分布式虚拟交互环境[33]，是一个基于UNIX的、在不同节点上的多个进程可以在同一时间进行工作的异质分布式虚拟系统。

欧洲空客公司也将虚拟显示技术应用于飞机维修过程当中，能够大大降低成本[34]。

3．日本的研究现状

日本有众多高校和研究所从事虚拟现实技术的理论研究和实际应用，此外，索尼和任天堂等日本游戏公司在虚拟现实游戏开发方面形成了一定的市场规模。

东京大学[35]为虚拟现实技术提供了一种新的显示方式，为了解决目前虚拟现实显示与交互存在的局限性，他们开发了一种全新的虚拟全息系统，该系统与CAVE系统类似，用户可以在其中进行漫游和交互。

日电（NEC）公司开发了一种虚拟现实系统[36]，可以建立真实世界中的手与虚拟手之间的关系，能够让用户使用虚拟手操作虚拟模型。

日本奈良尖端技术研究院开发了一种嗅觉模拟器[37]，借助于该模拟器，当用户在虚拟空间中靠近不同的水果时，可以通过控制外部装置向鼻尖处散发不同水果的气味，这是虚拟现实技术在除了视觉领域之外的重要研究突破。

索尼公司[38]2016年发布了头戴式虚拟现实设备——PSVR（PlayStation VR），借助于自身游戏平台PlayStation，索尼公司发布了大量优质的虚拟现实游戏，牢牢占据了虚拟现实游戏市场。任天堂公司早在1995年就发布了一款虚拟现实设备——Virtual Boy，但是由于当时设计理念过于前卫，技术不够成熟，导致产品夭折。2019年，任天堂重新布局虚拟现实市场，于3月发布了Switch游戏机的配件Labo VR kit，能够将Switch游戏机变身为虚拟现实眼镜。

4．我国的研究现状

虚拟现实技术的研究在我国起步较晚，但是随着计算机技术以及互联网技术在我国的快速发展，越来越多的高校开展了虚拟现实技术研究，同时也涌现出了大量虚拟现实企业。国家非常重视对虚拟现实与增强现实这项新技术的研究和应用推广，从国家层面制定了虚拟现实研究计划，科技部、国家自然基金委、工信部等部门都把虚拟现实技术列入了其设立的各类科技计划。

北京航空航天大学是国内最早从事虚拟现实研究和应用的高校之一，从最开始的理论研究，到现在的成果转换，北京航空航天大学将虚拟现实应用到了国防军事、航空航天、医疗手术、装备制造等各个方面。2007年，北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室被批准建设[39]，实验室总体定位于虚拟现实的应用基础与核心技术研究，这是我国在VR/AR领域第一个也是唯一一个国家级重点实验室。实验室在赵沁平院士的带领下开发了我国第一个基于广域专用计算机网络的虚拟现实环境——分布式虚拟环境（distributed virtual environment NETwork，DVENET），该系统支持异步分布式虚拟现实应用的开发，能够满足虚拟现实全周期、全过程的应用开发。此外，该实验室还研制了多款虚拟仿真器，包括直升机虚拟仿真器、坦克虚拟仿真器、虚拟战场环境观察器等，为我国的军事训练和航空航天训练提供多样化的虚拟仿真平台。实验室在原始创新的基础之上，发挥多学科交叉与军民融合优势，为虚拟现实技术在我国军用和民用的发展做出了引领性的贡献。

浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室[40]在虚拟环境真实感知和虚实环境融合等方面开展了深入探索，该实验实还研究了多种虚拟现实关键技术，包括虚拟环境漫游技术、实时绘制技术、人机交互技术等，开发了虚拟现实平台，并应用在文化娱乐、国防安全、装备制造等领域。该实验室还研究了多种高效算法来提高虚拟绘制的实时性，包括虚拟环境中的快速漫游算法和递进网格的快速生成算法等，开发了虚拟建筑实时漫游系统，为用户提供交互手段用于提高用户在虚拟环境漫游过程中的真实感受。

清华大学虚拟现实与人机界面实验室[41]在虚拟现实人机交互和系统设计方面进行了深入的系统研究。同时也致力于研究和开发一些适用于大学和科研机构教学与研究使用的虚拟现实系统，提供整套解决方案，包括整套系统集成、重要人机交互设备以及仿真分析软件。研究成果包括：运用数据手套和位置跟踪器实现虚拟零件装配，通过虚拟现实进行手术仿真，开发了虚拟驾驶模拟系统和基于运动跟踪和多通道拼接大屏幕投影系统的虚拟操控场景仿真等。清华大学国家光盘工程研究中心通过QuickTime技术实现了足不出户地欣赏布达拉宫全景。

北京大学汪国平教授团队自主研发了超大规模分布式虚拟仿真支撑平台viwo[42]，用于飞行模拟的视景仿真系统等，取得了很好的效果。

北京理工大学长期致力于虚拟现实技术在国防系统的应用，为中国航天员科研训练中心成功研制了VR眼镜[43]，能够有效地缓解航天员在太空的心理压力，帮助我国航天员顺利完成长达1个月的在轨驻留任务。

北方工业大学增强现实与互动娱乐团队[44]在虚拟现实理论算法和应用开发方面开展了大量卓有成效的研究。他们通过硬件设备开发具有沉浸感的虚拟现实技术，成功研发了“北方工业大学虚拟校园”。此外，他们通过数字头盔、数据手套、立体投影、动感座椅等硬件设备制作了3D短片，通过120°环幕立体投影系统播放，有较强的立体效果，并正研发具有动感的4D短片；他们还建设了新媒体实验室，自主研制了虚拟驾驶系统、动作捕捉系统、虚拟幻象系统、赤影系统等。

北京科技大学人工智能与三维可视化团队[45]在虚拟现实方面研究了基于物理的流体三维真实感模拟及可视化，提出可交互的非均质流体动画三维建模，面向多相流场景的交互现象模拟，基于数据驱动的流体模拟等方面的研究方法。北京科技大学还开发了一款实用的纯交互式汽车模拟驾驶培训系统。

此外，国内从事虚拟现实与增强现实研究的高校和机构还包括：国防科技大学、天津大学、中国科学院自动化研究所、北京邮电大学、深圳大学、山东大学等，这些单位都在虚拟现实与增强现实技术理论及其应用方面取得了突出成绩，为该技术在我国的推广普及做出了贡献。限于篇幅，在此不一一赘述。