1.3 VR技术与AR技术的应用领域
1.3.1 VR技术的应用
虚拟现实技术能够为用户带来前所未有的体验，构造的沉浸式虚拟环境能够让人类足不出户地享受不同情境带来的超快感，此外也能够帮助专业人员进行上岗前的虚拟培训，能够极大地降低企业的培训成本。虚拟现实技术已经广泛地应用于人类生活的各个方面，主要的应用场景如下。
1．教学科研
虚拟现实的沉浸式体验在教学和科研方面能够为学生带来生动形象的内容展示，不仅能够极大地提高学生的学习兴趣，还能够帮助学生加深对知识点的理解[53]。
在教学方面，虚拟现实技术能够构造虚拟的学习环境、虚拟的实验基地（图1-27），配合虚拟现实软件，学生可以在虚拟环境中进行自主学习和实验，这不仅提高了学生的学习兴趣，也避免了填鸭式的被动教学。
在科研方面，虚拟现实技术能够帮助医学生在虚拟手术平台上进行手术学习和练习，帮助设计专业学生在虚拟环境下更好地观察和修改设计模型，其成为科研人员的有力工具之一。
图1-27 虚拟仿真实验平台[53]
2．游戏体验
虚拟现实技术为游戏玩家带来了前所未有的体验，从而刺激了VR游戏的快速发展。随着虚拟现实设备性能的大幅提升和真实感绘制技术的应用，用户在沉浸式环境中的体验变得更好，如图1-28所示。同时，借助于网络环境或者云平台，可以实现处于不同地方的玩家同时在线，从而体验多人在线的虚拟现实游戏带来的乐趣。然而，目前在虚拟现实游戏中的交互方式相对简单，使得玩家对虚拟现实游戏的控制感体验较差，这是未来需要探索和解决的主要问题之一。
图1-28 VR游戏
头戴式显示器是虚拟现实游戏的主要设备之一，头戴式显示器能够为玩家提供一个完全封闭的空间，为玩家提供一种沉浸式体验。头戴式显示器除了能够为玩家提供逼真的画面之外，还能够为玩家提供三维环绕立体声，以及通过陀螺仪和加速器等传感器实时捕捉玩家的头部运动，进行画面和声音的动态调整，从而提升玩家在虚拟现实环境中的沉浸感。目前主流的头戴式显示器均开发了大量VR游戏，包括Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR、3DGlasses等。
3．影视行业
在电影行业中，虚拟现实技术作为电影中的高科技技术，为观众提供了无限的遐想。从早期的《头脑风暴》（1983年）、《割草者》（1992年），到近期的《美国队长：内战》（2016年）、《头号玩家》（2018年），在电影中虚拟现实技术的应用给人们拓展了科技视野，也为虚拟现实技术的发展提供了一定的借鉴。除此之外，虚拟现实技术也开始参与影视的制作中，可通过给观众佩戴虚拟现实设备，对其头、眼、手等部位信号进行捕捉，生成独特的电影影像，为观众带来新奇的体验。
虚拟现实技术还被应用到了电视直播中，通过特殊的设备采集和后期处理，将直播画面制作为虚拟节目，观众可以通过佩戴虚拟现实头盔身临其境般地进行现场节目的观看，如图1-29所示。在2021年日本东京奥运会上，共有7个项目进行了VR直播[54]，用户可以通过Oculus头盔观看选定的赛事直播。除了独自观看之外，用户还可以通过网络共享与朋友共同观看VR直播。美国广播公司ABC新闻与虚拟现实公司JauntVR联合制作了虚拟现实新闻——“Inside Syria VR”（VR探访叙利亚）[55]，让观众体验处于危机中的叙利亚，带领用户游览叙利亚首都，解释城市如何在战争中保护历史文物，让用户通过虚拟现实技术获得真实的新闻报道，如图1-30所示。
图1-29 VR直播[54]
图1-30 VR电视[55]
4．数字展馆和虚拟旅游
传统的展馆大多采用物品陈列、图片展示和影像的方式展示展品，传递给观众的信息不够立体，观众难以对展品进行全方位的了解。虚拟现实技术通过对展品进行数字化，采用虚拟现实技术来呈现，能够为用户带来展品全方位多样化的立体展示效果，让观众仿佛置身其中，享受更好的体验。除此之外，虚拟现实技术对于现有古文物的保护也有着很好的帮助作用，通过对古文物进行数字化采集和保存，借助于虚拟现实技术让后人能够身临其境地观察历史文物，使历史和文明得到很好的传承。
虚拟现实技术还被应用于旅游行业[56]，如图1-31所示，随着社会的发展，工作节奏越来越快，生活和工作压力也越来越大，人们需要适当放松心情，旅游便是最好的途径之一。然而，旅游消耗大量的时间和精力，往往处于“堵在路上”的状态。虚拟现实技术能够让用户足不出户地欣赏到全球各地美景，在家里同样可以达到放松心情的效果。
5．特殊培训
虚拟现实技术对于特殊场景的培训有着重要价值。虚拟现实技术可以帮助飞行员进行飞行训练[57]，帮助消防人员进行消防培训和演练[58]，帮助工厂进行巡检排查和安全监测。虚拟现实技术的沉浸式环境让用户能够获得真实体验，而且具有成本低、安全性高的特点，如图1-32所示。
图1-31 VR旅游[54]
图1-32 虚拟飞行培训和虚拟消防培训[57]
6．医疗健康
虚拟现实技术在医疗健康行业的应用包括医学培训、康复训练和心理治疗。
对于医学培训，虚拟现实技术能够创建逼真的医疗环境，借助于虚拟现实设备，能够为医生带来沉浸式的手术体验，让医生仿佛处于真实的手术环境中。能够为新上岗的医生进行医学培训，帮助医生提高业务能力；也可以为复杂手术提供预先练习环境，帮助医生熟悉手术过程，提高手术成功率。2015年3月，Medical Realities[59]公司推出了虚拟现实手术设备——“虚拟外科医生”（the virtual surgeon），能够让医生在虚拟现实环境下模拟外科手术。他们希望能够借助于该设备推广基于虚拟现实技术的医学培训模式，更加方便地培养外科手术人才。2016年4月14日，该公司通过虚拟现实技术直播了一位70岁老人的结肠肿瘤切除手术，用户能够通过Oculus Rift的应用程序（APP）实时观看手术，身临其境地体验手术的全过程，如图1-33所示。
对于康复训练，虚拟现实技术有着如下几个优势：能够提高恢复的安全性与舒适性、能够与患者互动。通过为患者提供一个虚拟现实康复系统，患者能够在虚拟现实环境中进行与真实环境下几乎无差别的康复训练，这种方式避免了患者在真实环境中面临的困难，能够帮助患者在虚拟现实环境中得到接受安全的治疗。此外，在虚拟环境中能够模拟许多在现实中不存在的场景，能够提高患者的快乐感，有助于辅助患者身体恢复。卡伦系统（computer assisted rehabilitation environment，CAREN）是一个基于虚拟现实技术的临床康复训练系统[60]，如图1-34所示。该系统主要用于人体平衡系统的诊断、康复和评估。通过捕捉系统记录和测量人体的运动，然后对采集的数据进行测试，并对患者的步态进行实时分析和展示，患者根据提示动态调整，从而达到康复训练的目的。该系统还可以通过一些虚拟现实小游戏提高患者治疗的积极性。
图1-33 VR医疗培训[59]
图1-34 CAREN康复训练系统[60]
图1-35 VR戒毒[61]
对于心理治疗，虚拟现实技术能够帮助有心理创伤的患者尽快地走出心理阴影，如焦虑症、创伤后应激障碍等。有心理障碍的患者往往存在与人沟通的难题，通过构造能够让患者接受的虚拟现实环境，配合虚拟现实设备和医生的暗示，让心理障碍患者在虚拟现实环境下逐渐克服心理障碍。美国军队采用虚拟现实技术为那些在战后出现创伤后应激障碍的士兵进行恢复训练，获得了一定的效果。我国浙江省戒毒管理局通过虚拟现实技术帮助吸毒人员进行戒毒治疗[61]，取得了一定的效果，如图1-35所示。