第1章 VR游戏设计概论

1.1 VR的概念

VR是英文Virtual Reality的简称，中文翻译为“虚拟现实”。VR最初是一个概念，经过发展和推进，现已逐渐落实和进化为一种应用技术。从技术的角度简单来说，虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种虚拟环境，通过多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。

“VR”这一名词与概念是由美国 VPLResearch 公司创建人贾龙·拉尼尔（Jaron Lanier）（见图1-1）在20世纪80年代初提出的，最初被称为“灵境”技术或“人工环境”。作为一项尖端科技，虚拟现实技术集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机生成的高技术模拟系统，它最早源于美国军方的作战模拟系统，20世纪90年代初逐渐为各界所关注，并且在商业领域得到了进一步的发展。这种技术利用计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，从而使得人在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地融为一体，给人一种身临其境的感受。

图1-1 “虚拟现实之父”——贾龙·拉尼尔

虚拟现实技术主要有以下几个特点：（1）多感知性，指除一般计算机所具有的视觉感知外，还具有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉感知、嗅觉感知等，理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能；（2）存在感，指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度，理想的虚拟环境应该达到使用户难辨真假的程度（见图1-2）；（3）交互性，指用户对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度；（4）自主性，主要指虚拟环境中的物体依据现实世界中的物理运动定律运动的程度。

图1-2 虚拟现实技术让人身临其境

具备以上几个特点的虚拟现实技术是当今计算机技术与思维科学相结合的产物，它的出现为人类认识世界开辟了一条新途径。虚拟现实技术的出现可以让用户用更加自然的方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人们除了亲身经历，就只能间接了解环境的模式，从而有效地扩展了自己的认知手段和领域。另外，虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具，它以视觉形式产生一个适人化的多维信息空间，为我们创建和体验虚拟世界提供了有力的支持。

由于虚拟现实技术具有实时三维空间表现能力、人机交互式的操作环境及能给人带来身临其境的感受，使得它在当今许多领域中得到了不同程度的发展，并且越来越显示出广阔的应用前景。虚拟现实技术将使众多传统行业和产业发生革命性的变革。

虚拟现实技术的目的就是达到真实体验和基于自然技能的人机交互，能够达到或部分达到这个目的的系统我们就可以称为虚拟现实系统。从这个意义上来说，目前虚拟现实技术主要分为以下四类。

1.桌面级虚拟现实技术

桌面级虚拟现实技术利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟世界的一个窗口。通过各种输入设备，实现虚拟世界与现实世界的充分交互，这些设备包括鼠标、追踪球、力矩球等。桌面级虚拟现实技术要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察360°范围内的虚拟环境，并操纵其中的物体。但这时参与者不能完全沉浸其中，因为他仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面级虚拟现实技术最大的特点是缺乏真实的现实体验，但是成本也相对较低，因而，应用比较广泛。常见的桌面级虚拟现实技术有基于静态图像的虚拟现实 QuickTime VR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等（见图1-3）。

图1-3 微博上风靡的全景照片就属于桌面级虚拟现实技术

2.沉浸式虚拟现实技术

沉浸式虚拟现实技术提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟世界中的感觉。它利用头盔式显示器（见图1-4）或其他设备，把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、手控输入设备、声音等，使参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式虚拟现实系统有基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。

图1-4 头盔式显示器

3.增强现实性的虚拟现实技术

增强现实性的虚拟现实技术不仅利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便感知的感受。典型的实例是战斗机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差（见图1-5）。

图1-5 战斗机的投影显示屏

4.分布式虚拟现实技术

如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时进入一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，则虚拟现实提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实技术。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。目前典型的分布式虚拟现实系统是SIMNET。SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。通过SIMNET，位于德国的仿真器可以和位于美国的仿真器运行在同一个虚拟世界中，参与同一场作战演习。