随着计算机、人工智能、互联网等技术的飞速发展，虚拟现实技术已逐步从实验室走向大众。它凭借沉浸式体验为大众带来了全新感受，更在教育、娱乐、工业设计等领域得到广泛应用。
本书共8章，先介绍虚拟现实的概念起源、发展历程、相关技术现状等，让读者全面了解虚拟现实；接着介绍虚幻引擎5的安装、创建项目、操作界面等入门知识；随后通过样板间场景创建，结合材质操作、光照设置和后期处理等案例介绍虚幻引擎5的实操技巧；最后通过项目实战，指导读者进行SteamVR开发和项目发布。
本书讲解细致，实用性强，适合虚幻引擎美术师、虚拟现实技术爱好者和从业者阅读，也适合数字媒体相关专业或计算机相关专业的师生参考学习。
书名：Unreal Engine 虚拟现实开发: UE5实操详解与项目实战（第2版）
ISBN：978-7-115-66998-8
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著 王晓慧 崔 磊 李志斌
责任编辑 胡俊英
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
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随着计算机、人工智能、互联网等技术的飞速发展，虚拟现实技术已逐步从实验室走向大众。它凭借沉浸式体验为大众带来了全新感受，更在教育、娱乐、工业设计等领域得到广泛应用。
本书共8章，先介绍虚拟现实的概念起源、发展历程、相关技术现状等，让读者全面了解虚拟现实；接着介绍虚幻引擎5的安装、创建项目、操作界面等入门知识；随后通过样板间场景创建，结合材质操作、光照设置和后期处理等案例介绍虚幻引擎5的实操技巧；最后通过项目实战，指导读者进行SteamVR开发和项目发布。
本书讲解细致，实用性强，适合虚幻引擎美术师、虚拟现实技术爱好者和从业者阅读，也适合数字媒体相关专业或计算机相关专业的师生参考学习。
王晓慧，清华大学计算机科学与技术系博士，北京科技大学机械工程学院教授兼工业设计系主任，北京市课程思政教学名师；中国计算机学会计算艺术分会首届执行委员、中国图象图形学学会可视化与可视分析专业委员会委员、中国少数民族文物保护协会常务理事、中国人工智能学会中小学工作委员会委员、全国高等院校计算机基础教育研究会文科专业委员会委员、北京市科学技术协会人工智能与创新设计决策咨询专家。
科研方向为设计学与计算机科学交叉、情感计算、交互设计、文化遗产数字化保护和工业数字孪生。已发表论文40余篇，出版教材《交互艺术装置实现技术》；主持国家自然科学基金、教育部人文社会科学研究基金、北京市社会科学基金项目等20余项；自主研发的虚拟现实（Virtual Reality，VR）数字工厂已成功应用于钢铁、检测仪器等领域，获授权专利3项、专利实施许可2项，已产生显著的经济和社会效益；两次获得光华龙腾设计创新奖；设计作品获中国设计智造大奖（Design Intelligence Award，DIA）等重要设计奖项，多次入选包括国际顶级会议ACM International Conference on Multimedia在内的国内外会议与设计展览；指导学生在国家及省部级等学科专业竞赛中获奖50余项，是腾讯犀牛鸟拔尖人才培养卓越导师。
崔磊，资深交互新媒体设计师，人工智能（Artificial Intelligence，AI）数字艺术家和人工智能生成内容（Artificial Intelligence Generated Content，AIGC）企业顾问；北京科技大学行业导师，北京工业大学艺术设计学院客座讲师；2013年光华龙腾奖·中国设计业十大杰出青年提名候选人。从20世纪90年代前期开始接触个人计算机，大学期间就开始利用三维绘图软件进行建筑效果图的创作。
2001年获得北京工业大学建筑学学士学位；2004年赴瑞典留学，先后获得瑞典皇家理工学院管理专业硕士学位和查尔姆斯理工大学新媒体艺术专业硕士学位。在瑞典学习期间开始从事AI人脸识别、姿态识别、自然人机交互、虚拟现实、信息可视化传达等领域的设计与创新工作，设计的多个作品在欧洲新媒体展展出。
主导并参与2008年北京奥运会与2010年上海世界博览会期间多个大型展示馆的数字媒体项目；带领团队完成传统文化和红色文化元宇宙项目数十个，展馆超过100个，展项超过500个；从2023年开始成功利用AIGC落地多个文创和数字藏品项目；在数字艺术、人机交互设计等方面有着丰富的项目管理经验、广阔的国际视野与较高的前瞻性。
李志斌，深耕数字视觉艺术领域20余年，从小学习绘画，有着深厚的传统绘画艺术功底，对艺术有着执着的追求，始终认为无论技术如何发展，万变不离其宗，美的东西是相通的。
1996年本科毕业于湖南科技大学艺术学院（现为齐白石艺术学院），2001年在中国传媒大学动画与数字艺术学院进修三维动画相关课程，并取得Autodesk官方认证的3ds Max认证教师和认证工程师资格；2019年受邀担任北京科技大学客座讲师；2010年创业至今，目前从事实时数字艺术相关工作，领导创作了大量的历史文化数字化复原场景，完成了2021年建党百年党史故事数字化展现、虚拟直播、数字人开发等工作。
近20年来，计算机技术和互联网行业飞速发展，人工智能、大数据、移动网络、虚拟现实等概念与技术层出不穷，给我们的生活带来了极大的影响。虚拟现实正是随着计算机技术和互联网行业的发展而逐渐进入人们的视野的。从20 世纪60 年代就开始萌芽的虚拟现实技术在之前几十年的发展中基本上停留在实验室阶段，同时人们基于该技术生产过一些在商业上并不成功的产品。然而，面向普通消费者的虚拟现实眼镜面世后，其凭借实惠的价格、良好的用户体验，让人们初尝沉浸式立体视觉的神奇之处，随之而来的就是虚拟现实的发展新浪潮。
在过去的几年中，虚拟现实主要以硬件发展为主，Meta（原名Facebook）、谷歌、高通、微软等国际知名科技公司都开始进行虚拟现实设备的研发和推广。国内的大型互联网公司与科技公司也在纷纷进行虚拟现实战略的布局，虚拟现实硬件的市场规模呈现出高速扩张的趋势。如今，虚拟现实硬件已成为人们日常生活中的重要电子设备，人们将一部分娱乐、工作、学习和社交的时间花费在虚拟现实中。
随着虚拟现实硬件的高速发展和逐渐普及，虚拟现实产业将迎来软件和内容方面的爆发，其增长势头将超过硬件的增长势头。众多主流游戏引擎和图形工具均开始支持市场上的虚拟现实硬件，为内容的生产提供了众多选择与基础技术保障。
作为老牌游戏引擎和优秀的三维数字制作工具，虚幻引擎（Unreal Engine，UE）自然不会错失这个市场机遇，它早已开始支持虚拟现实的开发。经过多个版本的迭代［从UE 4.3开始支持虚拟现实开发，本书第1版成稿时最新版本为UE 4.19，本书（第2版）成稿时最新版本为UE 5.2］，虚幻引擎依靠强大的图形表现力、便捷的虚拟现实开发工具，成为受到开发者青睐的主流虚拟现实开发工具之一。
本书第1版于2018年出版，已被不少高校用作教材或参考书。本书（第2版）对内容进行了全面升级，结合实战案例，由浅入深地介绍虚幻引擎 5 在美术部分的功能、制作流程、相关技能以及怎样进行初级虚拟现实应用的开发。读者可跟随本书按部就班地学习相关内容。通过学习本书，读者除了将对虚幻引擎5的基础知识有所掌握，还能够独立完成一个小规模的虚拟现实游览项目，为以后的进阶学习奠定基础。
希望读者通过学习本书，能够快速具备虚幻引擎5的实战能力，在提高自身职业技能水平的同时，为虚拟现实事业的发展出一份力。
本书的目标读者如下。
• 虚幻引擎美术师。
• 虚拟现实技术爱好者和从业者。
• 数字媒体相关专业或计算机相关专业的师生。
本书是按照由浅入深的顺序编写的，全书共8 章。
第 1 章以虚拟现实的发展历程为核心，阐述虚拟现实概念及技术的起源。本章重点讲解虚拟现实发展历程中主流产品的特性和相关技术等内容，让读者对虚拟现实有初步的了解。
第 2 章介绍元宇宙、人工智能等新技术对虚拟现实产业发展的推动作用。本章对虚拟现实技术的发展做出了大胆且乐观的展望，期望读者对虚拟现实的发展保持信心并能够持续学习相关知识。
第3章介绍如何安装虚幻引擎 5，帮助读者熟悉虚幻引擎 5的基本操作和界面布局，并引导读者创建第一个项目，为进一步学习奠定坚实的基础。
第4章介绍样板间场景创建，即将模型导入 UE 5，最终创建样板间场景。
第5章介绍材质操作，首先介绍用于材质操作的材质编辑器，然后介绍如何创建基础材质和材质实例。本章通过详细讲解各种材质属性（如颜色、纹理、质感等）的设置，帮助读者理解材质在虚拟环境中的重要性及其在视觉表现上的强大功能。
第6章介绍光照设置。本章讲解从定向光源到天空光照等多种设置，系统地介绍如何在虚幻引擎 5中设置和优化光照。
第7章介绍后期处理。本章详细解释虚幻引擎 5中的颜色分级、自动曝光、镜头眩光和景深等后期处理功能，展示如何通过这些功能进一步提升场景的视觉效果。
第8章为项目实战。本章指导读者将虚幻引擎项目成功发布至 SteamVR 平台，同时展示项目的最终效果，确保读者能够将学到的技术应用到自己的实际项目中。
感谢北京科技大学工业设计系研究生卢林涛、辛冶成、郑子龙对本书的贡献。
作者
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“The best way to predict the future is to invent it.”❶ —— Alan Kay
……
今早的世界史课上，阿万诺维奇就用一个独立的模拟进程，带领我们目睹了公元1922年考古学家发掘图坦卡蒙法老墓葬的场景。（昨天我们还在同样的地方见证了图坦卡蒙王朝的辉煌。）
第二节生物课，我们又穿行在人类的动脉血管之中，感受着心脏的跳动，就像在看老电影《神奇旅程》。
而在艺术课上，我们每个人都分到一顶无檐软帽，并戴着它参观了卢浮宫；到了天文课，我们又登上了木星的每一颗卫星。我们站在木卫一那遍布火山口的地表，听老师解释火山口的形成过程。讲课的时候，木星遮住了半个天空，大红斑就在老师左肩的位置上翻腾。后来她捏了捏手指，我们便到达了欧罗巴，开始讨论冰层之下生物存在的可能性。
❶ 预测未来的最好方法就是自己亲手创造它。
上面的描写出自恩斯特·克莱恩（Ernest Cline）的科幻小说《头号玩家》（Ready Player One）。这段对于未来课堂的描写让我们觉得这样的课堂只有在很遥远的未来才能实现，但实际上随着计算机硬件与软件的发展、计算性能的提升，书中描写的情节已经逐渐能够在我们的生活中实现，这里面所依托的主要技术就是虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术。
单从字面上看，“虚拟现实”一词本身就包含着悖论，既然是虚拟的，又为什么称作现实？既然是现实的，又何来虚拟？但恰恰是这个矛盾的统一体，从出现时就激发了艺术家们和计算机科学家们的丰富想象力，在文化创意娱乐经济、产业中展现出了广阔的应用前景。目前比较通俗的解释是，虚拟现实提供了一种由计算机生成的具有沉浸性、交互性的体验。“虚拟”和“现实”两个词语的组合恰恰体现出虚拟现实技术的两个核心的特点：第一个核心的特点是内容由计算机三维数字技术制作完成，第二个核心的特点则是呈现给体验者近似真实的现实环境体验。
虚拟现实概念从广义上来说可以涵盖电影、动画、游戏等诸多领域，而本书中的虚拟现实概念则是狭义的，它仅指“沉浸式虚拟现实”（Immersive Virtual Reality）。事实上，在没有亲身体验沉浸式虚拟现实技术前，我们可能难以想象虚拟现实技术的强大。它集中体现了目前计算机数字图形图像技术（三维动画、影视特技、三维游戏）等的最高水平，将我们带入一个完全由计算机产生的却近似真实的虚拟世界。在此建议读者有机会一定要亲身体验沉浸式虚拟现实技术（主流的体验设备会在后面的内容中提到），相信体验后，读者对虚拟现实技术会有更加深刻的了解。
接下来的内容将简要叙述虚拟现实的发展简史、发展现状，以便能让读者先对虚拟现实形成一个整体概念。建议读者在学习时查阅更多的相关资料，形成自己对虚拟现实的独特见解，为创作出更加有创造力的虚拟现实作品奠定
基础。
纵观人类的历史，在不同的阶段，人类都在尝试用当时最先进的技术创造沉浸式的体验场景。从远古时期的洞穴岩画到文艺复兴时期的教堂穹顶画，再到电影技术蓬勃发展时期的球幕影院，乃至时下由备受欢迎的虚拟现实技术创造的场景，随着人类社会科技水平的发展，人类可以创造出越来越接近真实的虚拟世界。由于上述很多场景并非使用计算机数字图形图像技术创造的，所以我们将这些场景统称为“人造现实”，而虚拟现实正是计算机数字图形图像技术兴起后的产物。
从前面所举的例子可以看出，在各个历史阶段，人类主要将技术运用在传达视觉元素上。的确，科学研究表明，一个感官健全的人，日常获取的信息中有70%～80%是通过视觉获取的。也就是说，如果想对人类的感情、情绪或者深层次的心理产生影响，首先需要给他们造成视觉上的信息冲击。所以无论是教堂穹顶画这样的“人造现实”，还是我们所探讨的“虚拟现实”，都会先在视觉信息的载体上进行突破。俗话说“好钢用在刀刃上”，开发者们也深谙其道，将有限的时间和资金首先用在视觉呈现技术上，这解释了为什么目前市场上虚拟现实眼镜产品繁多，但是有触觉反馈的控制器、有虚拟现实中的立体声和嗅觉、味觉模拟的相关产品较少。
立体观影器最初的造型可以回溯到19世纪初，那时人们已经掌握了立体影像技术，当时的立体电影机的造型是现在虚拟现实眼镜的雏形。图1.1所示为1870年生产的一款立体镜，它利用了人类的立体视觉生理特征，将两个镜片之间的宽度调整为和双眼之间相同的宽度。如图1.2所示，双眼的视差能够使两个距离较近的图像合二为一，再经过大脑的处理形成立体视觉。由于人类进化缓慢，几百年内身体构造不可能发生本质变化，立体视觉成像原理也不可能变化，所以经过了200多年，无论科学技术怎样发展和迭代，立体影像设备的基本结构是不变的。
图1.1 1870年生产的立体镜
图1.2 立体视觉成像原理
同样，1938年法国戏剧理论家阿尔托（Artaud）在The Alchemical Theater中用法语“La Réalité Virtuelle”形容舞台营造的逼真的幻觉体验，被后世视为沉浸式体验的先声。
虚拟现实的概念被提出以后，其马上成为科幻小说家们热衷的题材。例如，奥尔德斯·赫胥黎（Aldous Huxley）所著的小说《美丽新世界》（Brave New World）就描绘了一种名为“多感觉”（Feelies）的三维电影。美国作家布拉德伯里（Bradbury）在短篇小说《大草原》（The Veldt）中描绘了能模拟非洲大草原的全息墙面，也就是将房间的四壁都变成可以显示想象中的场景的显示设备。
虽然在20世纪30年代虚拟现实概念就诞生了，但是它只停留在概念和文学作品中，因为当时计算机还没有诞生，所以数字化的虚拟现实体验无从谈起，但是先驱者们并未停下开拓的步伐。20世纪50年代，计算机尚处在诞生初期，美国电影放映机制造商莫顿·海利希（Morton Heilig）构想了体验剧院模型Sensorama Simulator（见图1.3），他试图将视觉场景、听觉刺激、振动与气味组合并制造出新型的仿真设备。1960年，海利希申请了一个专利，专利名称是“Telesphere Mask”，该设备由立体眼镜（见图1.4）和两个微型电视屏幕组成，能够呈现三维图像和立体声，是头戴式显示器（HMD）的早期雏形。此后，他造出了机箱版Sensorama Simulator，并开发了5部涉及视觉、听觉、嗅觉、触觉的短片，但是未能取得商业上的成功。现在看来，在当时的技术条件下，基本的视觉上的体验都很难满足，更不用说满足其他感觉上的体验了。虽然该设备的创新性值得肯定和尊重，并且它确实称得上是虚拟现实发展史上里程碑式的设备，但是用户体验上的不足成为阻碍这个设备成功的最主要因素之一。
图1.3 体验剧院模型
图1.4 海利希立体眼镜模型
1968年，时任哈佛大学助理教授的伊万·萨瑟兰（Ivan Sutherland）在其学生鲍勃·斯普劳尔（Bob Sproull）的帮助下造出第一个头盔式虚拟现实显示器系统。因为这种头盔的重量超过了人类头颈所能承受的重量，开发者们只好将它吊在天花板上，幽默地称之为“达摩克利斯之剑”（The Sword of Damocles）（见图1.5）。而且，它能展示的虚拟现实内容只是简单的3D线框场景。尽管如此，人们却从中看到了新技术的美好前景。
图1.5 “达摩克利斯之剑”
接下来，萨瑟兰利用这套虚拟现实设备开始进行用户体验方面的试验，并且得到了令人振奋的成果。首先，在这套虚拟现实设备中，计算机生成的3D线框场景足以让用户感知到一个虚拟的空间环境，并且带来心理上的沉浸感。在一个试验中，测试者的头盔显示器内显示出模拟的摩天大楼顶部的透视图时，虽然测试者实际所处的环境很安全，但他们还是会惊慌失措。这充分证明了这种技术给测试者的心理造成了影响。接着，萨瑟兰用计算机图像取代了拍摄的电影图像，计算机图像由计算机系统实时生成，并且每秒更新多次，再配合追踪头部运动的传感器，使得计算机系统可以随着测试者头部的移动提供不同的透视图像，这样，有交互体验的虚拟现实设备便出现了。
在20世纪70年代前，先驱者们已经运用自己超凡的想象力和强大的技术能力（当你真正了解那个时代的计算机硬件的性能后，你就会佩服他们的技术能力了）尝试实现自己梦想中的“虚拟现实”，但由于当时计算机硬件的性能确实很低，虚拟现实设备给用户带来的体验效果不足以让其在市场上普及。这一时期的探索虽然并未引起较大反响，但是给后来的开发者积累了大量的经验，而且种种尝试结果都表明，从心理感受层面上讲，用户对沉浸于另外一个完全不同于现实的场景是没有抵抗力的，这也是从业者坚定地认为虚拟现实是用户界面的终极形态的依据之一。
虚拟现实概念在沉寂了10多年后，再一次被文学潮流唤醒。1984年威廉·吉布森（William Gibson）出版了小说《神经漫游者》（Neuromancer），作为赛博朋克（Cyberpunk）文化的代表作之一，本书据称也是著名系列电影《黑客帝国》（The Matrix）的灵感来源。这本小说带动了在计算机空间和网络空间里进行虚拟体验的想法的流行。吉布森对赛博空间（Cyberspace）的解释是由一系列网络化的计算机图像空间组成的矩阵，它像“集体幻觉”一样，每天都会吸引数以亿计的访问者。进入20世纪80年代后期，围绕虚拟现实概念迅速形成了一个亚文化圈，并且令吉布森感到惊讶的是，科学家和技术人员对他的著作的关注度很高，并且人们在讨论他的科幻作品时都抱有很严肃的态度。
伴随着这次文学潮流，以雅龙·拉尼尔（Jaron Lanier）创立的虚拟编程语言研究（VPL Research）公司为代表的一批研究虚拟现实技术的企业问世，虚拟现实眼镜、数据手套等关键设备被发明出来，虚拟现实技术开始步入实用期，不仅为医疗、军事、教育等领域增添了新工具，而且为艺术创作提供了新可能。
1987—1989年，被誉为“虚拟现实之父”的拉尼尔使“Virtual Reality”这一术语进入公众视野，并且率先开发出能够真正操纵计算机模拟三维空间内虚拟物体的数据手套。虽然从今天的视角来看这个设备有些笨重，而且需要很多条线缆来实现其与计算机的连接，但是用户已经可以通过头盔显示器观察自己的行为在虚拟现实中的真实反馈，在实现人机交互（Human-Machine Interaction）的路上迈出了革命性的一步。图1.6展示了拉尼尔创立的公司研发的虚拟现实数据服装和数据手套。
图1.6 拉尼尔创立的公司于1989年研发的虚拟现实数据服装和数据手套
而被誉为“人工现实之父”的迈伦·克鲁格（Myron Krueger）建立了“人工现实”（Artificial Reality）系统，该系统将用户的半身像显示在投影屏幕上，由计算机不断分析用户的动作并实时地给出反应，如图1.7所示。克鲁格认为拉尼尔创造的“虚拟现实”一词包含悖论而不愿意加以使用，宁可使用“人工现实”一词，他认为人工现实会根据人与仿真世界（同样也是由计算机生成的模拟真实世界的数字内容）的关系来感知人的动作，然后生成视频、音频及其他数字内容，让仿真世界变得可信。实际上，克鲁格所强调的计算机对用户动作的实时响应和反馈，至今仍是构建虚拟现实沉浸感的重要原则之一。
图1.7 克鲁格的作品
邵志飞（Jeffery Shaw）的The Legible City（见图1.8）让观众骑上一辆底座固定的自行车，通过配备传感器的踏板驱动三维实时绘图系统，从而让观众获得游览曼哈顿等城市的体验。可以说这是现在VR自行车的鼻祖，它运用相对简单的交互技术原理，把观众的日常行为与虚拟世界连接在一起。在完全能够模拟人体动态、手势等自然行为的技术成熟前，将常见的操作行为（骑车、开车、划艇等）作为人机交互的方式，并不会给体验者在操作上带来过多的不自然感，不失为在当时技术阶段下提升用户体验的一种解决方案。
图1.8 The Legible City
1992年，伊利诺伊大学芝加哥分校电子可视化实验室的三位成员开发了洞穴式自动虚拟环境（Cave Automatic Virtual Environment，CAVE）系统（见图1.9），并在当年的SIGGRAPH会议上首次演示。这种系统通常会将计算机生成的交互图像投射到一个方形空间的内部墙壁上，体验者在一定范围内的移动会与墙面上投射的图像形成互动关系。这个系统不需要头盔显示器和数据手套等设备，就能为体验者提供足够的沉浸感。
在这一时期，有一些公司已经开始专注于研发能够面向普通消费者的虚拟现实设备。1991年，Virtuality公司发布了其虚拟现实游戏系统1000CS（见图1.10），这是一个沉浸式头盔现实平台，配有可以进行三维空间追踪的操纵杆。从外观和设备组成上看，该系统已经很接近现在市场上能看到的虚拟现实设备，但是当时高达数万美元的价格让不少人望而却步。最终该系统只生产了300多套便停产了。
图1.9 CAVE系统
图1.10 虚拟现实游戏系统1000CS
日本著名游戏机公司任天堂（Nintendo）也在这一阶段做了尝试。该公司在1995年推出了虚拟现实游戏机Virtual Boy（简称VB）。任天堂想借助公司当时的明星主机Game Boy的高销量和《超级马里奥兄弟》这样的备受欢迎的游戏打开一个全新的市场。不过由于VB游戏机的理念太超前，它虽然能够呈现奇特的立体视觉，但是受当时的技术能力所限，只能在眼镜里面呈现红色的点线图，其游戏界面如图1.11所示，这和当时市场上已经普遍运用只读存储光盘（Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM）呈现精美计算机图形学（Computer Graphics，CG）动画的其他游戏机（如PlayStation、3DO等32位游戏机）相比，自然无法吸引消费者的眼球。再加上其售价也不低，仅仅不到两年就黯然退出市场。
图1.11 VB游戏界面
但是据1996年就有幸体验过VB的玩家描述，当时VB所带来的冲击是非常大的，它使著名射击游戏《宇宙巡航机》（Gradius）里面的世界变得触手可及，玩家操纵的战斗机飞翔在无垠的宇宙中，虽然由简单的点和线组成的画面不够逼真，但是依然能够带给玩家置身宇宙空间的沉浸感。
虽然VB产品失败了，但是在今天，我们在看到在强大的计算机技术支持下虚拟现实游戏发展的新高度时，还是要向当年主导开发VB的团队的勇气和前瞻性致敬。
接下来的一段时间里，沉浸式虚拟现实的民用化进程遇到了瓶颈，设备价格居高不下，用户体验水平却不高，这就导致虚拟现实技术只能在实验室和某些特定领域（如军事、工业）内有用武之地。但是开发者们并没有停下自己的脚步，直到2012年，随着Oculus Rift等新一代设备的出现，虚拟现实的发展迎来了全新的开端。
虚拟现实发展经历了前两个时期，虽然距离民用化还遥遥无期，但是无数探索者经过努力，已经为沉浸式虚拟现实的设计形态和技术路线奠定了坚实的理论与实践基础。进入21世纪后，伴随着芯片，尤其是图形处理单元（Graphics Processing Unit，GPU）芯片技术和显示技术的飞速发展，虚拟现实真正进入民用市场的步伐显著加快。
真正引爆现代虚拟现实发展浪潮的是一款名为Oculus Rift的虚拟现实眼镜。2012年，帕尔默•拉奇（Palmer Luckey）在美国著名众筹网站上为Oculus Rift原型启动了众筹，原本25万美元的众筹目标最终以筹集240余万美元收官，创造了一个众筹神话。原本笨重、昂贵的虚拟现实设备从此能够以轻便的外形和亲民的价格进入消费者级别的市场。Oculus Rift众筹模式的成功为虚拟现实眼镜的发展打开了一扇大门，国内外公司纷纷开始效仿，推出自己品牌的虚拟现实眼镜产品（见图1.12）。
图1.12 虚拟现实眼镜产品
2014年，谷歌公司推出了自己的名为Cardboard的简易VR眼镜，相比于价格高达数百美元的Oculus Rift，售价仅十几美元的Cardboard传播得更加快速而广泛，用户通过手机下载特定的App后，正确插入Cardboard就能获得沉浸式虚拟现实体验。虽然用户看到的大多是由全景相机拍摄的全景视频，但这种方式足以用最低成本让更大范围的用户获得更简单、直接的沉浸式虚拟现实体验。
2014年，社交网络公司Facebook（2021年改名为Meta）宣布以约20亿美元的价格收购Oculus公司的消息在业界引起了轰动，继而一些国际大厂纷纷宣布推出自己的虚拟现实眼镜，资本圈的目光也被吸引到这种产品上，一时间群雄并起。2016年，除了Oculus公司推出了自己的第一款消费级的虚拟现实眼镜Oculus Rift CV1，HTC和索尼公司也分别推出了自己的消费级的虚拟现实眼镜。再加上舆论和资本的聚焦，2016年被冠以“虚拟现实元年”的称号。
Oculus、HTC和索尼公司均在2016年分别推出了面向普通消费者的虚拟现实眼镜，成为第一批拥有虚拟现实的正式民用产品的公司。接下来大致介绍这3家公司的产品。
Oculus公司在众筹取得成功后推出了其开发者版本的虚拟现实眼镜Oculus Rift DK1。2014年3月，Facebook宣布以约20亿美元收购Oculus公司，这次收购被普遍认为是第三次虚拟现实发展浪潮的开端。2016年3月28日，消费级产品Oculus Rift CV1正式发售（见图1.13）。该VR眼镜包含两个1080像素×1200像素的有机发光二级管（Organic Light Emitting Diode，OLED）屏幕，综合分辨率为2160像素×1200像素，可以实现90Hz的刷新率、110°的视野角，支持360°头部追踪并配有一个用于检测动作的体感摄像头。在控制方面，其配有环形的双手体感手柄并支持Xbox手柄，2016年年底Facebook公司又推出了Oculus Rift专属的控制器和定位设备。
图1.13 Oculus Rift CV1
2015年3月2日，将几乎所有资源投入虚拟现实技术开发的HTC发布消息，称其和Valve（游戏《半条命》和游戏平台Steam的出品公司）合作推出了一款VR眼镜，名为HTC VIVE，2015年春季推出该VR眼镜的开发者版本，2016年4月5日开始在全球范围发售该VR眼镜的消费者版本。HTC VIVE的配置为两个1080像素×1200像素的OLED屏幕，综合分辨率为2160像素×1200像素，可以实现90Hz的刷新率、110°的视野角。比较特殊的是，HTC VIVE眼镜表面集成了多个红外传感器，通过在房间里安装两个定位器（基站），就可以获得更加精准的头部和手柄（手柄上也有类似的传感器）控制器的空间坐标与动作。
2018年初，HTC在拉斯维加斯举办的一年一度的国际消费类电子产品展览会（Consumer Electronics Show，CES）上，首次公布了自己的次世代VR眼镜HTC VIVE Pro（见图1.14），为新一轮的VR眼镜大战拉开了序幕。
图1.14 HTC VIVE Pro
PlayStation VR（见图1.15）于2016年10月开始发售。其使用一块1920像素×1080像素的OLED屏幕，通过分屏方式为双眼提供图像，单眼分辨率为960像素×1080像素，刷新率为120 Hz，视野角约为100°。单从屏幕解析度来看，其相较于Oculus Rift CV1和HTC VIVE要差，但是其优势在于索尼公司的平台上的VR游戏都是经过严格审核与优化的，高刷新率的画面可以让玩家获得极佳的用户体验。依靠庞大的PlayStation游戏机玩家群体，以及《生化危机7（VR版）》这类超级游戏知识产权（Intellectual Property，IP）大作，PlayStation VR在发售半年后大有赶超前面“两巨头”的产品的趋势。
图1.15 PlayStation VR
和“三巨头”的产品相对较高的价格相比，谷歌的Cardboard的价格可以说就是“白菜价”，它充分利用了人人都有手机的情况，只给用户提供一个纸质的外壳，用户将手机插到外壳相应的位置，打开特定的App就能体验到VR内容，极大地降低了成本。2016—2018年，很多国内厂商将谷歌的Cardboard“发扬光大”，纷纷推出自己品牌的手机壳式VR眼镜，其在造型上虽然千差万别，但是核心技术并没有太大的差异。这种低技术门槛导致市场上劣质手机壳式VR眼镜泛滥，在公众对于虚拟现实设备的正确认知方面造成了极大的负面作用。
三星公司的Gear VR（见图1.16）和谷歌公司的Daydream（见图1.17）虽然也采用的是手机壳加手机的方式，但是只针对各自公司的几款特定手机，其系统优化和用户体验远超普通的纸壳眼镜，代表了移动VR体验的高水准。
图1.16 Gear VR
图1.17 Daydream View
作为老牌科技企业的微软当然不会舍弃虚拟现实市场，继HoloLens后，微软发布了与全球五大硬件厂商（惠普、宏碁、华硕、联想和戴尔）合作开发的Windows Mixed Reality系列VR头显。使用它时只需配有Windows 10系统的笔记本计算机，房间内不需要设置额外的定位设备，仅靠VR设备自己的Inside-Out 追踪技术就能进行空间定位，大大降低了使用门槛。这些特点对消费者而言都是极大的诱惑。
笔者在体验了这款混合现实眼镜后，就被它深深吸引了，其操作界面就是一个VR版本的Windows 10，操作系统被完全三维化，用户身处海岸边的一座别墅内，别墅内有花园、有书房、有影音室，如图1.18所示。所有Windows软件都可以被放置在这个三维空间内，比如在影音室内，墙面上的大屏幕就是Windows的媒体播放器，书房内有网页浏览器和电子图书软件。由于真正的VR应用不多，笔者在三维空间内打开了一个纸牌游戏的窗口，用VR手柄玩了将近30min的纸牌游戏。
图1.18 Windows VR界面
非常可惜的是，微软与几家厂商合作开发的这款眼镜并没有引起太大的轰动，可以说这个尝试已经失败了，造成这种结果的原因包括合作厂商硬件开发出现问题、Windows 10下VR内容匮乏等。但是微软凭借这个产品打造了VR版本的Windows系统，对各家厂商后续打造自己的虚拟现实产业生态，甚至“元宇宙”（Metaverse）都有不小的启发。
前面提到的元年“三巨头”推出的虚拟现实眼镜产品都需要配备一台高性能计算机或者游戏机作为图形处理器，除了购买眼镜，用户还需要购买价格不菲的计算机或者游戏机，虽然这样可以获得较好的用户体验，但是整体成本还是偏高，VR一体机以其相对亲民的价格（从千元级到数千元不等）获得了消费者的青睐。VR一体机从技术上说就是将移动芯片、传感器、显示器、电池集成到一个VR眼镜内，所运行的系统都经过各个出品方的优化，相比标准不统一的手机壳式VR眼镜，VR一体机的整体用户体验更好。但是相比需要连接计算机或游戏机的虚拟现实眼镜，VR一体机的用户体验较差，尤其在画面的仿真度和三维场景内的互动性方面还有待提升。不过通过VR一体机，用户可以享受几乎所有的全景视频、全景动画和对运算要求不高的VR游戏，因此其还是性价比非常高的产品。
2017年，Oculus和HTC纷纷发布了自己公司的VR一体机产品，国内公司如PICO、大朋、IDEALENS等也均有同类产品，各公司逐渐开始重视VR设备的便携性和廉价性，只有做到更加便携、更加便宜，才能让更多的用户成为VR设备的拥有者，才有可能发展出生机勃勃的虚拟现实产业生态。现如今正值5G通信技术加速普及的时期，网络带宽和流量不再是内容传输的瓶颈，这更让人们坚信虚拟现实爆发的时代即将到来。
HTC VIVE Pro这款VR眼镜在连接计算机的VR设备中是比较优秀的，但是与数据线相关的困扰体验者的问题一直得不到好的解决，体验者的行动范围会被数据线的长度所限制，在体验过程中由于体验者看不到周围的环境，经常会把数据线缠绕在自己身上，这些问题无疑都会导致用户体验变差。为了摆脱数据线的束缚，HTC VIVE Pro推出了无线升级套件（见图1.19），该套件在头显顶部加装了无线传输适配器，因而给体验者的头颈增加了负担。此外，无线传输适配器需要用电池供电，一般体验30min左右就需要更换电池，使用效率较低。
图1.19 HTC VIVE Pro无线升级套件
因此HTC决定开发更加纯粹的VR一体机，并在2018年推出了名为VIVE Focus的VR一体机。VIVE Focus是一款完全独立的VR头戴式显示器（Head Mounted Display，HMD），内置了处理器、存储器和电池等关键组件，无须连接到个人计算机（Personal Computer，PC）或游戏机上。该一体机内置的六自由度（6 Degrees of Freedom，6DoF）追踪技术，可以精确追踪用户头部和手部的运动。用户可以在虚拟空间中自由移动、转动和交互，增强其沉浸感和互动性。经过几代产品的迭代，目前VIVE Focus 3 系列借助高分辨率的显示屏、全方位的追踪功能和沉浸式的行业应用，为企业提供了独立的 VR 解决
方案。
2019年，HTC推出了VIVE Cosmos VR眼镜，这款产品采用了液晶显示（Liquid Crystal Display，LCD）技术，具有2880像素×1700像素的高分辨率，可以提供清晰、锐利的图像和视觉效果。同时，它还采用了先进的光学透镜设计，可提供更广阔的视野，佩戴也变得更加舒适。在跟踪技术方面，VIVE Cosmos VR眼镜内置六自由度传感器，可以精确追踪用户头部和手部的运动，使用户能够在虚拟空间中自由移动、转动和交互。除了头部追踪外，它还支持外部传感器追踪，以获得更高的精确度和对全身动作的追踪能力。VIVE Cosmos VR眼镜还能够通过数据线连接计算机，仅作为显示器使用，使用户享受由高性能显卡生成的VR内容。
2019年5月，Facebook公司发布了Oculus Quest，这是一款备受欢迎的VR一体机，其最大的亮点之一是同时在VR眼镜和控制器上支持六自由度的位置追踪。同时，Facebook公司还为Oculus Quest VR一体机准备了50多款首发应用，包括《节奏空间》（Beat Saber）和根据《星球大战》IP改编的《不朽维达：星球大战VR系列》等。这款VR一体机的销量十分可观，让各大厂商更加坚定地以便携式的VR一体机为主要开发方向。
Oculus Quest的发售，也开启了VR一体机的群雄争霸时代。其他公司也不甘落后，不仅VR巨头们纷纷推出新品，一些科技和互联网大厂也纷纷入局虚拟现实产业，一时间百家争鸣。国内大厂如华为、爱奇艺、创维等都推出了各自的VR一体机，这些公司入局虚拟现实产业，有的依靠自身强大的硬件研发和制造能力，有的则以丰富的内容积累为基础。传统VR眼镜生产商经过几年的大浪淘沙，留下的品牌（如PICO、NOLO、大朋等）也都各有各的生存之道，它们不断推出技术更加成熟的新机型。从表面上看，VR硬件产业的发展进入了一个黄金期。图1.20展示了各家厂商推出的VR头戴式显示器产品。
图1.20 各家厂商推出的VR头戴式显示器产品
前面的内容提到了很多种虚拟现实设备，并且“用户体验”是多次被提及的名词，那么好的虚拟现实用户体验都包括哪些方面呢？
首先需要从沉浸式虚拟现实的3个特点说起，这3个特点的英文形式都是以字母“I”开头的，分别是“沉浸性”（Immersion）、“交互性”（Interaction）和“想象力”（Imagination）。此外，也有观点认为“信息强度”（Information Intensity）是构建沉浸感的重要因素。毕竟，想象力体现为创作者营造虚拟世界时的创造力，但实际上很多虚拟世界是对现实存在的内容的再加工。为了让虚拟世界能够“说服”体验者，让他们信以为真，虚拟世界中的事物就要承载非常多的信息，这里不单单包含场景和物品的尺寸、材质、重量、温度等，甚至还要包含更多的深层次交互内容。而且这些信息还都需要通过不同的虚拟现实设备让体验者进行感知，所以不论是通过想象力创造一个虚拟世界，还是通过对现实场景进行再加工创造虚拟世界，信息的丰富程度都是让体验者真正投入虚拟世界的重要因素。目前虚拟现实技术在通过视觉信息传递场景和物品的尺寸、材质等方面都没有问题，但是在传递重量、温度等非视觉信息方面难度很大，这也是虚拟现实开发者们努力的方向。
从人类的感觉方面看，好的虚拟现实用户体验应该对人类的感觉器官都能进行信息的传递，就像人类生活在真实世界中，人类的视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉器官随时都在获取来自真实世界的信息，而在目前的虚拟现实发展中，对视觉和听觉的仿真化已较为成熟，对触觉的仿真化也取得了一些初步成果，但在嗅觉和味觉的仿真化方面仍面临巨大挑战，多处于实验室研究阶段。
最先给体验者带来沉浸感的就是视觉元素，前面的内容提到过，在人类日常获取的信息中，有70%～80%的信息是通过视觉获取的。人类双眼的生理构造决定了人类对于周围事物和空间的远近距离与立体感的判断是通过视觉完成的，当然这里同时包括眼睛（视觉信息获取）和大脑（视觉信息处理）整个系统的工作。从前人对于沉浸视觉的探索中可以总结出这样的结论：虚拟现实设备采用的主要的方法都是通过特定的显示技术，让视觉元素将用户的视野完全“包围”，无论用户怎样变换自己的视线，获取的视觉信息都是创作者刻意营造的人造现实。在目前的沉浸式虚拟现实用户体验中，都会给体验者佩戴头戴显示设备，该设备既提供了视觉信息，又将周围环境屏蔽，让体验者仅能看到设备中显示的虚拟画面。而动态捕捉传感器的运用，使得体验者进行头部运动和视线变换的时候，运动数据可以传递到计算机，计算机根据体验者的头部运动和视线变换重新渲染视线所及的画面，使体验者产生置身于另一个场景的沉浸感。
在视觉的沉浸性方面，比较重要的技术指标是刷新率、纱窗效应和余晖（视觉暂留）。如果VR眼镜中的画面有卡顿、像素颗粒很大，并且在用户转头的时候画面出现严重的拖尾，除了会导致用户体验不好外，给用户带来的最大问题之一就是会使其产生眩晕感。解决刷新率低的问题的办法是提升CPU、GPU等硬件的性能，优化VR软件，以便让VR软件运行的时候能够达到比较高的每秒帧数（Frame Per Second，FPS）。纱窗效应通俗地讲就是VR眼镜中画面像素颗粒很大，这也和目前的显示屏幕的解析度有关系，如果提高显示屏幕的解析度，还要保证画面的FPS，对于实时渲染的性能要求就会相应提高，需要更加强大的硬件，成本势必随之提高。而VR头戴式显示器的余晖问题，通常被称为“persistence”或“残影”问题，是指在快速移动视角时，图像似乎有一部分延迟或模糊不清，进而产生拖影或尾迹。这种现象主要是由于显示器的响应速度不够快，导致前一帧图像的光辉未完全消退，叠加在下一帧图像上。为了减少余晖，需要采用具有高刷新率和像素响应速度快的显示技术。在VR发展早期，OLED屏幕因其像素响应速度快而被采用，但现代的Fast-LCD技术在平衡响应速度、分辨率（减轻纱窗效应）、成本和寿命方面已成为主流选择。而硬件厂家也要从市场和用户接受度出发，寻找一个成本和效果的最佳平衡点，以达到相对好的用户体验。
VR设备的定位与追踪技术主要有两种：外向内追踪和内向外追踪。
外向内追踪（Outside-in Tracking）通过在VR环境外部设置传感器，捕捉用户的位置和姿态，然后将这些信息传输到VR眼镜中，实现对用户头部和手部的位置和姿态的追踪。HTC VIVE Pro是基于这种技术的代表产品。
内向外追踪（Inside-out Tracking）利用VR头戴式显示器内部的摄像头、陀螺仪等传感器，通过视觉算法，如SLAM算法，计算出用户的动作和位置，无须额外布置空间定位设备。这种技术的优势在于具有较高的便捷性，无须架设额外的定位装置，仅依靠VR头戴式显示器内的传感器即可进行定位。随着传感器的发展和算法的进步，使用内向外追踪技术的VR一体机都已经能够实现六自由度（见图1.21）的位置追踪，定位的空间维度已经可以与外向内追踪技术一致。早期VR一体机的三自由度定位只能实现在3个方向上旋转，即俯仰、偏航和翻滚，而六自由度除了包括3个旋转自由度，还包括3个平移自由度（即前后、左右和上下移动）。在同等成本、相同光学条件下，这种技术的定位精度比外向内追踪技术稍差，但是成本优势和便捷性让这种技术成为目前VR眼镜的定位与追踪技术的首选。
图1.21 三自由度和六自由度的对比
总的来说，内向外追踪技术更适用于消费者级别的 VR 眼镜，而外向内追踪技术更适用于专业领域，如大空间互动、医疗、工业等领域的 VR眼镜。
听觉虽然不是影响沉浸感的最主要因素，但是声音的明确方向性同样会给体验者带来极佳的沉浸感。这也是目前电影院都配备多声道环绕音响的原因。读者如果对相关内容感兴趣，可以自行上网搜索“虚拟理发店”，找到相应音频或视频，戴上双声道耳机，闭上眼睛，享受仅仅通过声音给你带来的沉浸体验。由于目前多数虚拟现实头戴式显示器配的都是双声道耳机，而且在复杂的虚拟环境中，精确模拟所有方向（尤其是头顶和脚下）的3D空间音频在技术上仍存在挑战，因此目前还不能模拟出极为真实的沉浸式声音。不少公司也在声音模拟领域进行着研究和开发，相信很快就会有更好的算法和技术出现，让我们能够在VR中真切地感受到来自大自然的各种声音。
2017年，一家日本公司研发了一款名为VAQSO VR 的小型外部设备（见图1.22），可以将它安装到市场上的主流VR眼镜上。这款设备可以装载5个气味不同的盒子。将这款设备放在VR眼镜下方，使其正对体验者的鼻子，当体验者所体验的场景需要特殊的气味时，设备会将气味通过喷雾的形式传递给体验者。该公司计划在未来将可散发的气味的种类拓展到300种以上，届时体验者就能在虚拟场景中闻到清晨树林的味道、花草的芳香、战争中的硝烟味，以及各种香水的香味等。
图1.22 安装在VR眼镜上的VAQSO VR气味模拟装置
如图1.23所示，互动性主要指体验者的行为对虚拟场景和虚拟物体产生作用，虚拟场景和虚拟物体向体验者进行反馈以促成体验者的下一次行为的再输入以及虚拟场景和虚拟物体的再次反馈，只要体验者不停止与虚拟场景和虚拟物体的互动，那么这个“输入与输出”的循环过程就会一直继续下去。
图1.23 互动的循环
在沉浸式虚拟现实中，体验者头部移动时，所看到的画面会发生变化已经是必备的互动要素，此外，声音方向的算法也在向前发展。目前，虚拟现实开发者们将大部分精力都投入虚拟场景中的力反馈和肢体动作方面。在一个旨在“仿真”的虚拟场景中，环境和物体给予体验者的反馈越接近真实世界中的反馈，体验者才会觉得越“逼真”。比如体验者在虚拟场景中拿起一把锤子，除了在视觉上看到锤子，手也要有抓住锤子柄的感觉，同时还要感觉到锤子的重量，而且在用这把虚拟的锤子敲击石头的时候能够感觉到真实的振动。在目前主流的消费级虚拟现实设备中，虽然都有“手柄”这个互动设备，但是互动基本上依靠判断手柄本身的位移、手柄上按钮的按下或者触摸操作完成，力反馈则通过判断手柄内置电动机的振动完成，这种反馈和真实世界中的反馈还有很大的差距。
为了实现缩小反馈差距的目标，很多公司率先投身到“数据手套”的开发中，试图用这种手套设备完成对体验者的手部动作和力反馈的模拟，从而让体验者的感觉更加真实。图1.24所示为一种数据手套，它可以实现空间定位、五指弯曲、指尖振动等功能，但是使用它做出的行为还是和自然行为有所不同，当体验者戴着数据手套在虚拟场景中抓住一个虚拟物体时，手指确实能感觉到振动，提示体验者已经抓到一个虚拟物体，但是无法有效地阻止体验者继续弯曲手指，这时候，在虚拟场景中很可能就会看到代表体验者真实手的虚拟手穿透虚拟物体的外壁，嵌到物体里面。目前还没有设备能够实现这种对抓握虚拟物体的力反馈，即各种数据手套很难在体验者抓握到虚拟物体时给手指一个反向的力并且限制手指的运动。
图1.24 Manus Machina公司推出的VR数据手套
而模拟虚拟物体的重量的难度就更大了，目前由德国团队制作的占地面积很大的设备可以模拟出虚拟物体的重量，但是仅能用于大型工业设备的虚拟仿真，很难实现小型化以进入消费级市场。
身体其他部位的力反馈则需要由更加复杂的穿戴设备来完成，但是穿脱的时间过长又成了影响用户体验的因素，而且在不给体验者造成伤害的前提下，能够模拟的身体其他部位的力反馈较真实世界还是有较大差距。
有一批虚拟现实的开发者认为，手部动作的捕捉不应该由数据手套这类硬件完成，而应该靠裸手实现。早期的实现方法是在VR眼镜外面加装一套深度识别摄像头，代表产品有Leap Motion（见图1.25）。这类摄像头可以准确地识别每一个手指关节，从而可以定义多种手部动作。这种实现方法的优点在于不需要在手上佩戴额外的设备，而且这类摄像头的识别精度大大高于数据手套的识别精度。这种实现方法的缺点同样明显，即裸手在虚拟世界中交互，完全没有力反馈。虽然目前手势识别还不是首选的人机交互方式，但主流的VR、增强现实（Augmented Reality，AR）和混合现实（Mixed Reality，MR）设备基本上都内置了实现手势识别的硬件和算法，保留了实现更多人机交互方式的可能性。
图1.25 安装在Oculus Rift VR头盔上的Leap Motion
人在现实生活中不只可以活动头部和手部，大到躯干和四肢，小到手指，周身上下有许多个关节都可以活动。几款主流的虚拟现实设备因为要进入普通消费者的市场，为了控制成本，仅保留了对头部和手部的定位功能。全身定位的数字技术则早已进入实用阶段，应用较广泛的就是制作影视CG时使用的动态捕捉系统，演员身着特殊的服装，服装上布满定位点，动态捕捉系统可以相对精准地捕捉演员的肢体动作，但是这套系统应用于虚拟现实体验的成本过高。
在2018 年3 月举办的全球游戏开发者大会（Game Developers Conference，GDC）上，Epic Games 携手3Lateral、Cubic Motion、腾讯和Vicon 展示了“次世代”的实时捕捉数字人物。开发团队根据一名中国演员的形象创作了一个高保真实时数字人物“Siren”，而英国女演员亚历克莎（Alexa）在活动期间通过动作和表情捕捉设备实时驱动Siren进行表演（见图1.26）。该项目的亮相十分惊艳，展示了未来实时控制虚拟化身（Virtual Avatar，即有版权的数字肖像）的可能性，让人们相信未来我们都有可能会拥有自己的虚拟化身。该项目在实现高保真数字人方面取得了巨大突破，显著减轻了“恐怖谷”效应，使创造真实可信的、具备感情的虚拟化身成为可能。
图1.26 2018年GDC上的技术产品展示
随着智能算法的发展和动作捕捉设备成本的下降，基于这些技术驱动的“虚拟数字人”在近年来如雨后春笋般出现，但这些虚拟数字人良莠不齐，绝大多数都用于制造一些宣传上的噱头，并没有实际的落地应用场景。随着技术越来越成熟，未来可能会有真正能够应用在虚拟现实中的、可以实时互动的虚拟数字人出现。
还有一种价格不高的动作捕捉设备，即微软的Kinect摄像头（以及类似的具有深度识别功能的摄像头）。它们通过深度识别技术探测位于摄像头前面的人的头、肩膀、腰、手、脚等主要部位，在家庭游戏领域有着较为广泛的应用（见图1.27）。但是将它们应用于虚拟现实领域则存在着识别区域受限、体验者侧身对着摄像头时识别不准等问题。
图1.27 Kinect捕捉体验者姿态的效果
为什么在虚拟现实体验中，肢体动作识别如此重要呢？其原因还是要让体验者在虚拟世界中感受到“真实”，当体验者在虚拟世界里面看不到自己的脚，或者看到的脚是一双无法与自己的脚同步移动的虚拟脚时，就很难被说服其所在的是一个“仿真”的世界。
并且在未来越来越成熟的虚拟社交场景中，每个人都会以一个或靓丽或帅气或标新立异的独特形象出现在别人面前，这个形象也就是所谓的虚拟化身。如果对肢体动作的捕捉无法实现，那么在这个场景内，人们就将面对一群动作僵硬的“虚拟好友”，交流的自然程度就会大打折扣，甚至有可能因为动作捕捉不到位而使肢体动作变形，产生有歧义的动作语言，导致“绝交”，这样的结果会使人们觉得还不如回归到传统社交软件的文字、表情和语音。
人类面部拥有几十块（通常认为是40多块）表情肌，能够表达蕴含喜、怒、哀、乐等丰富情绪的表情。与动作捕捉类似，在影视特效领域，人们已经能成熟地运用表情捕捉摄像头采集演员的表情，这样能够让CG人物的表情更加接近真人的表情，众所周知的由詹姆斯·卡梅伦（James Cameron）导演的电影《阿凡达》（《阿凡达》的英文是Avatar，实际就是化身的意思）就运用了面部表情捕捉技术，如图1.28所示。
图1.28 《阿凡达》在拍摄过程中的面部表情捕捉
但是在虚拟现实体验中，由于体验者需要戴上几乎遮住半个面部的VR眼镜，即使在面部贴上标识点，摄像头也无法识别体验者的真实表情。虚拟现实行业内的公司推出了两种面部表情捕捉方案。
第一种方案是运用两个摄像头，一个摄像头藏在VR眼镜内捕捉体验者的眼睛与眉毛的运动，另一个摄像头放在VR眼镜外捕捉嘴巴和下巴的运动，从而获得整个面部的表情变化。
第二种方案是将传感器嵌入VR眼镜与面部接触的一圈海绵垫内，如
图1.29所示，通过对面部肌肉的运动的探测获取面部上半部分的表情，同样用一个摄像头捕捉嘴巴、脸颊和下巴的运动，如图1.30所示。
图1.29 VR眼镜内的传感器
图1.30 捕捉嘴巴、脸颊和下巴运动的摄像头
无论使用上面哪种方案，在虚拟现实中实时捕捉体验者表情的难度还是很大，难度主要在于捕捉与重建（将真人表情映射到虚拟化身上）的延迟、追踪传感器的精度、设备数据处理能力以及网络的带宽等方面。而且面部表情捕捉技术涉及的学科范围很广，包括电子、机械、心理感知、机器学习、面部动画、传感器等。因此该技术要达到成熟阶段还需要一定的时间。
语音识别在我们的实际生活中已经开始得到应用，如实时翻译软件、智能手机上的智能语音助理等。语音识别的发展成熟度远比虚拟现实的高，将语音识别引入虚拟现实体验后，体验者则多了一套全新的输入方法。在手势识别、肢体动作识别还不成熟的情况下，语音识别可以作为一种相对自然而准确的交互方式。微软已经将语音识别应用在其AR眼镜HoloLens上，用户可以通过语音输入如“back”“remove”等简单的单词控制虚拟场景中的各种虚拟元素。相信随着语音识别技术的发展，其在虚拟现实中的应用也会越来越丰富。
综上所述，目前市场上的消费级虚拟现实设备还处在发展中，如果想要在上述所有方面都达到比较好的效果，无论在传感器、处理器方面，还是在算法方面，都需要有阶梯式的发展。尽管困难重重，但是虚拟现实的从业人员都对实现这些目标具有坚定的信念。
增强现实、混合现实和虚拟现实一样，是现在经常被提及的概念，大多数人在第一次接触这几个概念的时候都很难明白它们之间具体的差别，图1.31有助于读者理解这几个概念。
图1.31 VR、AR与MR
本书一开始就说明了，本书会把虚拟现实作为一个广义的概念，而我们在日常生活中提及的VR实际上是“沉浸式虚拟现实”的概念，在图1.31的左侧，体验者的视觉信息完全来自虚拟图像。而增强现实（AR）和混合现实（MR）与虚拟现实（VR）一起，同属于扩展现实（XR）这一更大的范畴。它们的技术特点都是将虚拟的、由计算机产生的数字信息叠加在真实世界上，只是数字信息的数量和类型有所区别。
虚拟现实通过多样化的技术手段将体验者与真实环境割裂，再想办法“欺骗”体验者的各种感官，使其有完全沉浸于新场景的感觉。增强现实和混合现实则在真实世界上增加了信息量，可以说是体验者感官的延伸。因此这几类技术的应用场景是完全不同的，虚拟现实的应用场景应该是相对安全和独立的空间，使体验者在对外部环境有极高安全感的情况下沉浸在虚拟现实提供的场景中，虚拟现实适合应用在家里或特定的VR体验馆中以提供娱乐、教育方面的体验。而增强现实和混合现实在日常生活中的应用场景更加广泛。举个简单的例子，我们身边的很多人由于外语水平的限制不敢出国自由行，未来游客则会佩戴技术已经成熟的AR眼镜毫无顾虑地到国外旅游，因为在AR眼镜中，游客看到的所有用外语标识的文字都已经被翻译成了中文，替换了原有的外语；跟外国人交流的时候，外国人说的话也被实时翻译成中文，在AR眼镜的耳机里进行传递。图1.32所示为增强现实的一个应用场景，用户的手机App可以将场所的信息叠加到手机摄像头拍摄的街景上，为用户进行清晰的场所导览。所以并非像有些媒体说的那样，AR比VR更高级，其实VR、AR、MR是扩展现实（XR）技术下的不同路径，它们所运用的部分基础技术是相通的，但各自的核心体验和未来的应用场景又并不完全相同。
比较知名的增强现实眼镜有谷歌眼镜（见图1.33）和微软的HoloLens
（见图1.34）。谷歌眼镜于2012年发布，但是由于理念太超前，且用户体验不好，所以一度被谷歌搁置，但是2017年谷歌公布了重启谷歌眼镜计划的消息，且主要面向商业客户提供解决方案。微软的HoloLens虽然价格昂贵，但它是一款集合了非常多先进技术的产品，这些技术包括3D衍射显示、语音识别输入、基于深度识别摄像头的空间扫描与识别、惯性动态捕捉、手势识别等，正是以这些技术作为基础，微软展示了混合现实技术的强大潜力。
图1.32 增强现实的应用场景
图1.33 谷歌眼镜
图1.34 微软的HoloLens
游戏引擎（Game Engine）是目前主要的虚拟现实开发工具，可以帮助虚拟现实开发者实现自己的想法，目前市场上主流的游戏引擎基本上都是各个游戏公司最早为了制作自己公司的游戏而开发的工具。由于游戏的成功，这些工具也变得流行。
资历深的游戏引擎当属Doom引擎，Doom是id Software推出的第一人称射击游戏，该游戏的开发团队利用二维画面实现了墙壁厚度、任意路径角度、上下楼梯等三维效果，该游戏的开发可以被认为是第一人称射击游戏史上的里程碑。1993年底，一家名为Raven的游戏公司采用改进后的Doom引擎开发了一款名为《投影者》（ShadowCaster）的游戏，Doom引擎的商业授权模式取得了空前的成功，极大地推动和普及了游戏引擎的授权商业模式。在此之前的游戏引擎只是各家公司为了开发自己的游戏而制作的工具，并没有任何游戏公司考虑过用游戏引擎赚钱，甚至游戏公司还要对自己的游戏引擎加以严格的保护。Doom引擎的成功无疑为游戏公司打开了新的市场。
接下来市场上开始出现成熟的游戏引擎，id Software又率先推出了支持Direct3D和OpenGL的真三维引擎Quake。1998年，本书的主角，即由Epic Games公司开发的虚幻引擎（Unreal Engine）登场了，它成了id Software的有力竞争对手，改变了游戏引擎市场的格局。虚幻引擎一经推出就获得了游戏公司的青睐，几年之内有数十款游戏都使用了虚幻引擎。虚幻引擎让Epic Games公司从不知名的小厂商一跃成为行业领军者。
2004年推出的虚幻引擎3可以被认为是游戏引擎发展史上里程碑式的杰作，《生化奇兵》《质量效应》《战争机器》等著名游戏使用的都是该引擎。
虚幻引擎3的核心使用C++编写，其支持的平台包括Windows、Linux、macOS、Xbox 360、PlayStation 3等，其对于多平台的适用性也帮助它奠定了游戏引擎中“老大哥”的地位。
Epic Games公司再接再厉，于2014年推出了自己的第4代引擎——虚幻引擎4，这一代引擎加强了对新兴平台的支持，其中包括对虚拟现实（VR）开发的强大支持。虚幻引擎4推出后发布的几个基于Oculus Rift DK2的示例带给体验者的冲击是难以用语言形容的，如图1.35所示。
图1.35 Oculus Rift DK2上的VR演示
从2015年开始，虚幻引擎4宣布对广大开发者免费开放，这个策略使游戏引擎的普及度有了非常大的提升，而且虚幻引擎4对VR开发的支持非常友好，它运用了名为“蓝图”的可视化编程界面，并且它的渲染、光影、粒子效果出色。因此，它迅速成为虚拟现实公司的主要开发工具。
2022年4月，划时代的游戏引擎虚幻引擎5正式版被推出，相比虚幻引擎4，它更加易学、易用，呈现的效果更加出色。以下是虚幻引擎5的一些主要优点。
（1）光线追踪和虚拟化几何技术。虚幻引擎5引入了Lumen和Nanite两项重要技术，其中Lumen可提供一种全局光照解决方案，以实现实时光线追踪效果，使游戏中的光照效果更加逼真。Nanite则是虚幻引擎5中的一种虚拟化几何技术，它可以处理大规模的高细节3D模型，提供更高质量的图形效果。
（2）高精度动态世界。虚幻引擎5将场景构建和细节呈现提升到了一个新的水平。它支持无缝地创建和编辑具有更高水平细节的虚拟世界，包括更自然的地形、更逼真的植被等更丰富的细节。这使得开发者能够创建出更具沉浸感和真实感的游戏环境。
（3）更高效的开发工具。虚幻引擎5提供了一系列强大且易于使用的开发工具，简化了游戏开发过程。它包括可视化脚本工具（蓝图）和C++编程接口，使开发者能够快速创建游戏逻辑、设计交互和实现自定义功能。此外，虚幻引擎5还提供了强大的编辑器工具和资源管理系统，方便开发者进行项目管理和资源管理。
（4）跨平台支持。虚幻引擎5支持多个主流游戏平台，包括PC、家用游戏主机（PlayStation、Xbox等）和移动设备。这意味着开发者可以使用同一个游戏引擎，在不同平台上构建和发布游戏，提高了开发效率和游戏的可移
植性。
（5）社区支持和生态系统。虚幻引擎5拥有庞大的开发者社区和丰富的资源库，开发者可以在社区和资源库中分享和获取开源的工具、插件和教程。此外，虚幻引擎5还提供了Epic Games商店，开发者可以在其中购买和下载高质量的游戏资产，加快开发进程。
本书是基于虚幻引擎5的实战教程，读者在学习过程中会了解虚幻引擎5的更多特点，在这里就不赘述了。
当然，游戏引擎市场上也不是虚幻引擎一家独大，表1.1列出了市面上主流的游戏引擎及其说明，这些引擎各有所长，各自在不同的领域拥有较多使用者和应用案例。各家公司同样在探索通过游戏引擎提升虚拟现实内容的运算效率、画面质量和实现各种特效的方法。
表1.1 市面上主流的游戏引擎及其说明
| 游戏引擎名称 |
说明 |
|---|---|
| Unity |
几乎适用于所有手机游戏 |
| CRYENGINE |
代表作《孤岛危机》 |
| Frostbite Engine |
代表作《战地》系列、《极品飞车》系列 |
| Creation Engine |
代表作《上古卷轴》《辐射4》 |
| Naughty Dog Game Engine |
代表作《神秘海域4：盗贼末路》 |
| Rockstar Advanced Game Engine |
代表作《荒野大镖客2》 |
| Three.js |
强大的Web 3D引擎，可以在网页浏览器上实现三维渲染 |
游戏引擎是生产出优秀虚拟现实软件的工具，创作者只有熟练掌握工具才能实现其想法。况且目前很多游戏引擎已经提供了足够多的与虚拟现实相关的开发插件，提升了开发效率，创作者只需要专注于自己的内容创作即可。希望读者在学习过程中不要朝三暮四，看到某个游戏引擎在某一方面性能强，就转而学习该引擎，这样只会导致对每个引擎都不精通。在一个优秀作品诞生的过程中，工具固然是重要因素之一，但是更具决定性的因素是创作者的专注态度和坚定信念。
虚拟现实的市场化虽然还处在初期发展阶段，但是已经有很多领域开始重视虚拟现实技术，并对虚拟现实结合本领域的发展有很高的期待。以下列出的领域都是开始运用虚拟现实技术并有一定成果的领域。
众所周知，许多新技术都会先应用于军事领域，而技术从军用转化为民用则会经历数年甚至数十年。在20世纪90年代中期，计算机技术较为发达的国家就开始运用虚拟现实进行军事训练，通过虚拟现实模拟地形地貌、气候、武器装备、作战人员，从指挥人员到参与作战的人员都可以通过虚拟场景进行训练。虚拟现实提供的沉浸性和逼真度则可以让参与训练的人员在低消耗、低危险性的情况下，熟悉作战地形、武器装备、战术、医疗救助等内容，提高了指挥人员的决策力和作战人员的生存率。现阶段虚拟现实设备的成本更低，在军事模拟中的普及度更高，各国主要将虚拟现实技术应用于战地救护、单兵战术、坦克驾驶等方面。与军事模拟类似，虚拟现实在警用模拟方面也有着出色的表现，警务人员利用VR设备模拟解救人质、排除爆炸物等各类紧急事件，并进行反复训练以提高实战时的成功率，减少不必要的伤亡。
各位读者是否想象过在一个阳光明媚的午后，伴着悠扬的小提琴曲，漫步在被破坏前的圆明园中，听设计者讲述他的设计理念；或者回到古埃及，在宏伟的宫殿中一睹埃及艳后的芳容。随着虚拟现实技术的发展，这一切都将成为可能。人类过去的数千年历史给现今留下了丰富的自然、物质和非物质文化遗产。而通过虚拟现实技术，人们有机会将已经消逝的或者出于保护目的而不能面世的文化遗产进行重现，让大众能够一睹文化遗产曾经的辉煌，甚至可以体验时空穿越，回到古代，亲身经历一个个只能在历史教科书上看到的故事。随着三维扫描技术的日益进步，保留至今的文物的模型可以达到极其精细和准确的程度，再通过虚拟现实方式将模型展现在大众眼前，真正让文物“活起来”。如果通过技术手段把景区“搬进”虚拟场景，那么体验者就可以足不出户地领略祖国的名山大川和国外的著名景点。图1.36和图1.37所示为虚实空间文化类作品《漫步雄关——金山岭长城》和《梦回秦朝——兵马俑》。
图1.36 虚实空间文化类作品《漫步雄关——金山岭长城》
图1.37 虚实空间文化类作品《梦回秦朝——兵马俑》
在工业领域内，人们对设备和机器的操作、拆装、维修等方面进行培训以及通过互联网进行远程维修，都具有很大的需求。真实情况下的各种设备和机器，有的极其精密且容易损坏，有的造价高昂，有的则具有一定的危险性，进行有关这些设备和机器的培训和维修所涉及的成本高、难度大。而有了虚拟现实技术，参与培训和维修的人员不再需要实际操作真实的设备和机器，仅需佩戴特定的数据手套或者其他力反馈设备，在虚拟场景中就能完成对各种操作的学习、训练和考核，而且这些数据还会被保留，供企业进行分析和总结。虚拟现实技术与工业领域的结合可以极大地降低企业成本，提高培训和远程协助的效率。图1.38所示为工业领域的VR展示。
图1.38 工业领域的VR展示
虚拟现实的沉浸感、拟真程度和丰富的信息量以及可交互性决定了它在教育领域的广阔前景。尤其对于中小学的学生来说，对科技和新鲜事物的好奇心与较高的接受程度使得他们一旦体验过VR就可能对其难以割舍。虚拟现实应用于教育领域正是利用了这种新技术具有的超强吸引力，能够真正地实现寓教于乐。身临其境的场景化教学能够提高中小学的学生对知识的吸收率，实现事半功倍的效果。现在已有一些学校建设虚拟现实教室、虚拟现实实验室等。在未来硬件基础条件成熟后，教育类虚拟现实软件就会进入百花齐放的阶段，届时，相信这种新型的教育方式将对传统的教育方式带来很大的冲击。图1.39所示为科普教育项目“VR火山探险”。
图1.39 科普教育项目“VR火山探险”
在第三次虚拟现实浪潮到来之初，最早的一批虚拟现实应用就是游戏。由于虚拟现实和三维游戏有着相同的“基因”，甚至使用相同的游戏引擎，因此游戏从业者沿用自己的游戏开发经验和已经拥有的三维游戏素材能够快速且低成本地生产出大批的VR游戏。虽然这些游戏中的大多数品质不高，但是其中不乏精品。虚拟现实技术的众多特点会把玩家在游戏中的体验提升至一个全新的高度，玩家通过VR实现了真正进入游戏世界，作为游戏主人公的代入感更加强烈。相信多数玩家都想象过通过VR设备进入“艾泽拉斯大陆”（大型多人在线角色扮演游戏《魔兽世界》中的大陆）和朋友组队完成任务吧！在虚拟现实发展初期，游戏是VR内容的主要落地形式。目前，游戏依然是VR线下体验店中非常主流的内容类型。随着《辐射4（VR版）》（Fallout 4 VR）（见图1.40）等传统游戏大作的VR化，相信未来VR游戏的丰富程度和品质会越来越高。
图1.40 《辐射4（VR版）》（发售不到1个月销售额达到400多万美元）
随着虚幻引擎的实时渲染能力越来越强，虚拟现实技术已经在数字影视领域扮演越来越重要的角色，主要有以下几个方面的体现。
在虚拟制片方面，虚幻引擎通过其实时渲染技术，可以实现实时的虚拟现实预览，使导演和摄影师能够在拍摄时即时看到虚拟场景。虚拟制片技术可以加速影片制作的进程，为后期制作缩短时间和降低成本。《阿凡达》（2009年上映）的制作就运用了这种技术，现在这种技术越来越成熟，也越来越普及。
在虚拟拍摄方面，虚幻引擎可以与物理摄像机相结合，实现实时的虚拟拍摄。摄影师可以通过操纵物理摄像机以操纵对应的虚拟摄像机来捕捉虚拟场景中的画面，并实时观察渲染出的效果。这使摄影师能够更好地控制摄影角度和激发构图灵感，提高拍摄效率和激发创意。图1.41所示为近几年开始流行的利用扩展现实（eXtended Reality，XR）虚拟拍摄技术拍摄科幻电视剧的拍摄现场。
图1.41 电视剧《曼达洛人》的拍摄现场运用了大量的虚拟拍摄技术
在实时渲染和后期制作方面，虚幻引擎具有强大的实时渲染和后期制作技术，可以在拍摄过程中即时渲染出高质量的影像。这种实时渲染和后期制作技术可以大大加速后期制作的进程，缩短渲染时间，并提供更灵活的调整和修改选项。
随着各个产业的数字化进程加速，数字孪生（Digital Twin）领域成为虚拟现实技术应用的又一个主要领域。数字孪生是一种利用数字技术创建的虚拟模型，该模型可以实时反映真实世界中的物体或系统的状态和行为，如图1.42所示。通过数字孪生，人们可以在虚拟环境中模拟、测试和优化真实世界中的物体或系统，从而提高效率、降低成本和风险等。数字孪生可以应用于各种领域，如制造业、城市规划、医疗保健、交通运输等。虚幻引擎和数字孪生之间有着密切的联系，主要体现在以下几个方面。
在沉浸式体验方面，虚幻引擎可以提供沉浸式体验，使用户感觉身临其境。通过虚拟现实设备，用户可以完全沉浸在由数字孪生技术构建的虚拟环境中，能够亲身经历、感受模拟的场景，从而更好地理解和预测实际物体的行为。
在可视化与交互方面，虚幻引擎可以将数字孪生的数据以虚拟环境的形式呈现，使用户能够通过虚拟现实设备以逼真的方式与数字孪生进行交互。
在可视化分析和模拟方面，虚幻引擎可以将数字孪生的数据可视化为逼真的虚拟环境，使用户能够对数据进行更直观、更深入的分析；用户可以在虚拟环境中进行模拟和实验，测试不同的参数和场景，通过观察和互动获取更全面的数据信息。
在实时反馈和决策支持方面，虚幻引擎能够提供实时的反馈和可视化结果，使用户能够及时获得数字孪生的模拟效果，这些实时的反馈能够帮助用户做出更准确的决策，改进设计、优化流程、提高效率和质量。
图1.42 数字孪生的交互界面
虚拟现实和医疗领域的结合比较类似于其和工业领域的结合，只是虚拟现实在工业领域面对的是设备和机器，而在医疗领域面对的是患者。目前，除了利用虚拟现实进行医疗器械的操作训练以外，将虚拟现实和手术操作结合才是医疗领域更加迫切的需求。通过虚拟现实反复进行训练，医务工作者在面对真正的患者时会有更大的把握。如果将CT扫描数据进行反向三维重建，再将其导入虚拟现实设备中，医务工作者就能够在手术前直观地看到病患部位的情况，从而可以提前制定出最有针对性的方案，提高手术的成功率。图1.43所示为医生用Oculus Rift VR眼镜观看患者的脑部CT三维图像的场景。
在对受到心理创伤的创伤者进行辅导的过程中，有一种方法叫作行为介入，即重现创伤者受创的场景，并在恰当的时机进行人工辅导和暗示，让创伤者摆脱心理上的阴影。目前很多国家都开始尝试用虚拟现实技术对各种患有恐惧症、孤独症、社交障碍的群体和老年孤独群体进行心理上的辅导，由于虚拟现实技术的诸多特点和灵活性，辅导成本大大降低，辅导效率和效果也有所提升。
图1.43 医生用Oculus Rift VR眼镜观看患者的脑部CT三维图像的场景
2016年阿里巴巴提出了名为“Buy+”的虚拟购物概念，一时间虚拟现实和零售领域的结合成为备受关注的话题。抛开目前的互联网带宽、众多商品的三维模型制作、商品信息数据库的建立等技术方面存在的问题，单从虚拟现实的特点出发，其和零售领域的结合在未来会对我们的购物模式产生极大的影响。现在的网络购物将我们与实际商品拉开了距离，但是VR能将商品重新带回我们眼前，即通过互联网和虚拟现实能给我们带来逛实体店般的购物体验。各种商品的尺寸、材质等信息都会展现在我们眼前，这对交易的达成有着很大的促进作用。而且用户在虚拟场景中的购物行为，如在虚拟货架之间行走的路径、视线在虚拟货架商品上停留的时间等，都会作为行为数据存储并加以分析，当积累了足够多的行为数据后，虚拟购物系统就会根据用户的偏好调整虚拟货架的内容，以实现更大的成单概率。此外，这些行为数据也为精准广告推送提供了数据基础。试想在不久的将来，我们只要在家中利用一套虚拟现实设备就能够任意选择购物场所，挑选自己喜爱的商品，下单后就可以等待无人机将快递送到家了。图1.44展示了VR购物体验。
图1.44 VR购物体验
在设计行业，计算机辅助设计（Computer-Aided Design，CAD）软件已经非常成熟。当一个设计师在做设计时，无论他进行的是建筑设计、室内装潢设计、景观设计，还是工业产品设计，虚拟现实技术都能够让设计作品以真实的尺度呈现在设计师面前，让设计师以最直观的感受对作品进行判断与调整，使作品更加完美。虚拟现实技术在设计领域的应用是对传统计算机辅助设计的一次升级，让设计师能够提前避免设计上的失误和遗憾，帮助设计师设计出更多、更美好的作品。图1.45所示为VR应用于设计领域的场景示例。
图1.45 VR应用于设计领域的场景示例
2014年，Facebook公司高价收购Oculus公司，足以证明扎克伯格对于虚拟现实和社交领域相结合的美好前景的坚定信心。VR社交解决了用户在以往的传统社交中所面临的三大痛点：视觉享受不足、互动娱乐性弱以及用户参与度低。首先，在提升视觉享受方面，传统的社交媒体呈现的图、文和视频全都能够被包含在虚拟现实社交场景内，再加上VR具有的令人震撼的沉浸感和仿真度，一定会让用户在该场景内流连忘返。其次，在增强互动娱乐性方面，虚拟现实做到了极致，比如将直播的互动娱乐性做到极致，当用户在虚拟世界中进行直播时，用户的观众并不是在屏幕外进行观看，而是和用户在同一个世界中进行交互。最后，在丰富并提高用户参与度方面，在VR社交中，用户能够做一些在现实世界中做不到的事，而且未来的VR社交的场景会更加丰富，能够给用户提供的体验也更丰富。所以说VR社交将会是下一代社交方式，同样也是最有可能开启“元宇宙”大门的钥匙之一。Meta公司（其前身为Facebook）推出VR社交体验平台Horizon World正是对这一理念的具象实践。图1.46所示为Meta VR社交软件Horizon Worlds的画面。
从上面所描绘的虚拟现实与各领域的结合情况看，由于虚拟现实具有沉浸性、高拟真程度、互动性等特点，对于很多领域而言，VR在提高效率、节省
图1.46 Meta VR社交体验平台Horizon Worlds的画面
成本等方面有重要的作用。因此虚拟现实的发展很可能会和互联网的发展一样，成为一些领域所必备的技术。时至今日，虚拟现实的发展已超出一个单独产业的概念，而成为信息的基础设施，并且与很多领域紧密结合在一起。虚拟现实作为下一代的显示和互动技术，其很多成功的落地应用也是基于互联网的，所以虚拟现实也终将打破产业的限制，与传统领域进行深度结合，促进产业升级。
本章阐述了虚拟现实概念及技术的起源，涵盖了虚拟现实发展进程中的一些重要阶段，并重点讲解了虚拟现实发展历程中的主流产品的特性和相关技术，亦囊括了虚拟现实应用的领域及场景。
作为全书的开篇，本章对虚拟现实的发展历史与现状进行了简要的介绍。对于不了解虚拟现实的读者而言，其能够凭借本章对虚拟现实建立一个相对全面的认知，有益于对后续章节的学习。
