虛擬現實技術具有沉浸性、交互性、構想性三大特征。按虛擬現實系統的沉浸性不同可分為非沉浸式虛擬現實系統、沉浸式虛擬現實系統、分布式虛擬現實系統、增強式虛擬現實系統。虛擬現實技術關鍵技術包括：動態環境建模技術、人機交互技術、實時三維圖形生成技術、立體顯示和傳感器技術等。隨著社會生產力和科學技術的不斷發展，各行各業對VR技術的需求日益旺盛，VR技術也取得了巨大進步，并逐步成為一個新的科學技術領域。當前，虛擬現實技術的發展還受限于終端的計算能力、輕量化、通信網絡傳輸速度等因素的影響。
定義
虛擬現實技術（VR）是一種計算機仿真系統，是融合計算機、電子信息、仿真技術的綜合性技術。其基本實現方式以計算機技術為核心，整合三維圖形技術、多媒體技術、仿真技術、顯示技術、伺服技術等多種高科技的最新發展成果，通過計算機等設備構建具備逼真三維視覺、觸覺、嗅覺等多感官體驗的虛擬環境，使用戶產生身處虛擬場景的沉浸感。用戶通過頭戴式顯示器、傳感器等專用設備，以動作、語言等自然交互方式，可實時獲取虛擬場景中的視覺、聽覺、觸覺及嗅覺等多通道信息。
發展歷程
20世紀30年代開始，虛擬現實技術經過四個時期的發展。第一個時期是20世紀30年代至70年代，第二個時期是20世紀80年代，第三個時期是20世紀90年代到21實際初，第四個時期是21世紀以來。
第一階段：探索時期
20世紀30年代至70年代，這一階段是VR技術的探索時期，虛擬現實的構想、相關概念等首次出現。1929年，出現了最早體現虛擬現實思想的設備，即1929年美國科學家Edward Link設計的室內飛行模擬訓練器，使用該設備乘坐者的感覺和坐在真的飛機上的感覺是一樣的。十年后，小說《Pygmalion's Spectacles》中第一次提出了虛擬現實的構想。1956年，美國電影攝影師Morton Heilig建造了一個叫作Sensorama（傳感景院仿真器）的立體電影原型系統。此后不久，交互式圖形顯示、力反饋和語音提示等概念也開始浮現，直到1968年，第一臺頭戴式三維顯示器才面世。
第二階段：初步發展
20世紀80年代，虛擬現實技術得到了初步發展，計算機技術的發展推動了虛擬現實技術的發展，虛擬現實技術逐漸獲得廣泛關注。1980年，美國宇航局開始著手研究虛擬現實技術，使得這項新技術受到了更加廣泛的關注。三年后，美國國防高級研究計劃局和美國陸軍合作開發出了一個名為SIMNET的虛擬戰場系統，該系統主要應用在坦克編隊的訓練當中。此外，在1987年，美國VPL研究公司的創始人Jaron Lanier提出了“Virtual Reality (虛擬現實)”一詞，這種新概念也隨著計算機技術不斷壯大。
第三階段：進一步發展
任天堂虛擬男孩控制臺
在20世紀90年代初期，隨著虛擬現實的理論進一步發展，VR技術逐漸展現出其廣闊的發展前景。1990年，美國達拉斯召開的Sigraph會議提出了VR技術的主要內容，并包括實時三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨率顯示技術。在之后幾年里，不斷有新的虛擬現實開發工具和產品問世。1991年，美國Virtuality公司開發了虛擬現實游戲系統“VIRTUALITY”，玩家可以通過該系統實現實時多人電子游戲，但是由于價格昂貴及技術水平限制，該產品并未被市場接受。在1992年，美國Sense8公司推出了“World Tool Kit”簡稱“WTK”虛擬現實軟件工具包，極大縮短虛擬現實系統的開發周期。接著，波音公司于1993年利用虛擬現實技術設計了波音777飛機，使用了數百臺工作站來完成300多萬個零件的整體設計；1993年11月，宇航員通過VR系統的訓練，成功完成了從航天飛機的運輸艙內取出新的望遠鏡面板的工作。之后，在1994 年日內瓦舉行的第一屆國際互聯網大會上，科學家們提出了為創建三維網絡的界面和網絡傳輸的虛擬現實建模語言(Virtual Reality Modeling Language，簡稱VRML)。日本任天堂(Nintendo)公司在1995年推出的32位攜帶游戲主機“Virtual Boy”則是游戲界對虛擬現實的第一次嘗試。這些里程碑的事件使得虛擬現實技術向著更加成熟和完善的方向。
第四階段：產業化發展
21世紀以來，虛擬現實技術與文化產業、電影、人機交互技術等集成應用，產業化發展得到極大進步。北京航空航天大學是國內最早進行 VR 技術研究、最有權威的單位之一，于 2000 年 8月成立了虛擬現實新技術教育部重點實驗室。美國國防部于2006年建立了一套虛擬世界的《城市決策》培訓計劃，以提高應對城市危機的能力。2008年，南加州大學開發了一款“虛擬伊拉克”的治療游戲，利用虛擬現實治療軍人患者創傷后應激障礙。在商業領域，Facebook在2014年以20億美元收購Oculus工作室，這讓全球投資者的目光又一次聚焦到了VR行業。兩年后，Facebook、谷歌、微軟等相繼推出了VR頭顯產品，引起了資本市場的廣泛關注和投資熱潮，這也催生了大量VR相關的行業發展，同時2016年也被稱為“VR”元年。2022年，虛擬現實入選“智瞻2023”論壇發布的十項焦點科技名單，且元宇宙的概念提出進一步推動了VR技術的發展，為VR應用開拓了更加廣闊的發展空間。
特征
沉浸性
沉浸性是虛擬現實技術最主要的特征，就是讓用戶成為并感受到自己是計算機系統所創造環境中的一部分，虛擬現實技術的沉浸性取決于用戶的感知系統，當使用者感知到虛擬世界的刺激時，包括觸覺、味覺、嗅覺、運動感知等，便會產生思維共鳴，造成心理沉浸，感覺如同進入真實世界。
交互性
交互性是指使用者在虛擬世界中對虛擬對象的可操作性。虛擬現實系統的交互作用表現為：使用者可以抓取、移動物體并感受物體的重量，同時也可以觀察物體的空間位置。在交互模式中，用戶既可以通過鍵盤和鼠標進行交互，也可以通過特殊的頭盔、數據手套等設備進行交互。
構想性
構想性是指用虛擬現實技術對現實世界沒有發生的環境和事件進行仿真。使用者在與虛擬環境互動的過程中獲得感性與理性的認知，從而啟發新的思考，并進一步發揮創意。虛擬現實系統能讓設計者在虛擬的世界中進行構想和設計，同時也能反映出設計者的創意思維。虛擬現實是設計者運用虛擬現實技術，充分發揮他們的想像力和創造力。
系統核心組成
計算機
計算機是VR系統的核心部分，它負責虛擬世界的渲染、模擬、數據處理和存儲等任務。計算機硬件包括中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）、內存和HDD等。三維高真實感場景的生成與顯示在虛擬現實系統（尤其是沉浸式虛擬現實）中具有重要的地位，因此虛擬現實所用的計算機是帶有圖形加速器和多條圖形輸出流水線的高性能圖形計算。計算機軟件包括虛擬現實引擎、物理引擎、3D建模軟件等。
I/O設備
I/O設備用于與虛擬世界進行交互，分為輸入、輸出設備。這些設備可以讓用戶在虛擬世界中進行操作和感知，并提供視覺、聽覺、觸覺和運動感等多種交互體驗。
輸入設備是虛擬現實系統的輸入接口，主要負責用戶信號的采集并通過傳感器及時輸送給計算機，輸入設備主要有三維鼠標、數據手套、數據衣、眼球跟蹤器、頭部跟蹤器、三維定位跟蹤設備、力矩球和操縱桿以及語音綜合識別輸入裝置等，將用戶的手勢、身體姿勢、眼球和頭部運動、物理力學運動及語音等信息變成數字化信號并通過傳感器輸送給計算機。
輸出設備是虛擬現實系統的輸出接口，是對輸入信號的反饋，計算機將處理后的信號通過傳感器傳給輸出設備，以視覺、聽覺、觸覺、力覺、感覺、運動覺甚至嘎覺、味覺等多個途徑反饋給用戶，讓用戶體驗到與真實世界一般的全方位體驗。輸出設備主要包括頭盔立體顯示器、三維真實感聲音播放設備、力反饋裝置觸覺感受器等。
數據庫
數據庫主要存放整個虛擬世界中所有物體的各方面信息，包括場景的圖像、音頻、視頻、文本、交互數據等，是虛擬世界得以建立的信息基礎，數據庫還可以支持VR系統的數據管理和交互。虛擬世界中各種模型都是數據庫里面眾多信息整合后的結果，為了擴大虛擬世界的適應領域，對真實世界中的全方位信息的采集也是一個必不可少而龐大的工程，也是虛擬現實技術目前最主要的工作內容之一。
用戶
用戶是VR系統的最終使用者，他們可以通過I/O設備與虛擬世界進行互動，并獲得沉浸式的虛擬體驗。用戶可以過傳感裝置直接對虛擬環境進行操作，并得到實時三維顯示和其它反饋信息（如觸覺、力覺反饋等）。用戶在虛擬世界中的行為和反應會被VR系統感知并作出響應，當系統與外部世界通過傳感裝置構成反饋閉環時，在用戶的控制下，用戶與虛擬環境間的交互可以對外部世界產生作用（如遙操作等）。
軟件系統
軟件系統是VR系統的關鍵組成部分，主要負責虛擬世界中物體的幾何模型、物理模型、運動模型的建立、三維虛擬立體聲的生成、模型管理技術及實時顯示技術、虛擬世界數據庫的建立與管理等，是系統的集中生產中心。虛擬現實的軟件系統包括虛擬現實引擎、物理引擎、3D建模軟件等。這些軟件可以將各種數據集成在一起，生成逼真的虛擬世界。虛擬現實引擎是VR系統的核心組件，它可以控制場景中的對象、光線、材質和紋理等，實現虛擬世界的渲染和模擬。
分類
非沉浸式虛擬現實系統
非沉浸式虛擬現實技術也被稱作桌面虛擬現實系統，它的視覺效果主要是由電腦或投影屏幕來實現。非沉浸式虛擬現實技術具有成本低廉、使用方便等特點，可廣泛應用于 計算機輔助設計、建筑設計、桌面游戲等。非沉浸式虛擬現實技術給使用者帶來的沉浸感不強，容易受到外界真實環境的影響，但是它對硬件設備的要求很低，實現費用也相對低廉，因此在實際中的應用較為廣泛。
沉浸式虛擬現實系統
沉浸式虛擬現實系統也被稱作可穿戴式虛擬現實系統，它利用封閉的視景和聲學系統，把使用者的視覺和聽覺與外部世界隔絕開來，讓使用者置身于計算機產生的環境中。該系統具有很高的實時性，能夠給使用者帶來很高的沉浸感，并且具有很好的集成度和開放性，能同時支持多個輸入和輸出設備。
分布式虛擬現實系統
分布式虛擬現實系統是指在互聯網上，將分散在不同區域的資源進行有效整合，共同開發場景的虛擬現實系統。分布式虛擬現實系統一般是指在網絡上把分散在各地的虛擬現實系統結合在一起，從而達到一定的目的。在分布式虛擬實境中，每個用戶都是共用一個虛擬工作空間，用戶在其中可以感受到真實的行為。該系統具有實時交互、時鐘共享等多種功能，而且多個用戶之間可以通過多種方式進行通訊。
增強式虛擬現實系統
增強虛擬現實系統是一種將現實與虛擬環境相結合的系統，該系統中部分虛擬場景疊加在現實環境之上，且允許用戶對現實世界進行觀察的同時對虛擬環境進行操作互動，達到了亦真亦幻的境界。
關鍵技術
動態環境建模技術
虛擬環境的構建是虛擬現實系統的關鍵所在。動態環境建模技術主要是通過對真實環境進行三維數據采集，并根據實際情況對三維環境進行建模。只有設計出反映研究對象的真實有效的模型，虛擬現實系統才有可信度。
人機交互技術
人機交互技術是指利用電腦的輸入/輸出裝置，使人與電腦進行有效的交流互動。虛擬現實技術強調的是自然的互動，也就是人處于一個虛擬的環境中，與虛擬對象互動，而對電腦的存在卻一無所知。在電腦系統中，人類可以使用眼睛、耳朵和皮膚等不同的感官形式，與虛擬環境進行直接的互動。
實時三維圖形生成技術
三維圖像的產生技術已比較成熟，而“實時”產生是虛擬現實系統的核心問題。為實現三維圖像實時生成，必須確保虛擬場景具有每秒15幀以上的刷新速率，最好高于每秒30幀。因此，在保證圖像質量和復雜性的同時，如何提高圖像的刷新率是建立虛擬現實系統主要解決的問題。
立體顯示和傳感器技術
三維立體顯示技術和傳感技術的發展決定了虛擬現實的交互性。目前的虛擬現實技術與實際應用還存在著很大差距。比如，數據手套存在著延遲大、分辨率低、作用范圍小、操作困難等問題；虛擬現實設備在跟蹤精度、追蹤距離等方面需要進一步提升以提高用戶對虛擬環境的沉浸感。
系統集成技術
系統集成技術是將多個硬件和軟件組件集成為一個完整的虛擬現實系統的過程。在虛擬現實系統中，系統集成技術包括硬件集成、軟件集成和人機交互集成等多個方面，它們相互協作來創建一個完整的虛擬現實體驗。其中，硬件集成技術主要包括各種傳感器、顯示器和計算設備等硬件的集成；軟件集成技術主要涉及虛擬現實引擎、渲染技術、物理引擎和人工智能等軟件的集成；人機交互集成技術主要包括虛擬現實頭顯、手柄、體感設備和語音識別技術等交互設備的集成。通過這些技術的集成，虛擬現實系統可以讓用戶感受到沉浸式的、逼真的虛擬現實體驗。
內容制作技術
虛擬現實內容的制作涉及到多個方面，包括3D建模、物理引擎、動畫制作、虛擬現實引擎等技術。這些技術的應用可以讓虛擬現實場景更加逼真、真實感更強，增強用戶的沉浸感和參與感。3D建模是虛擬現實制作的重要組成部分，它可以通過三維建模軟件，將實際場景或物體建模成虛擬現實場景。物理引擎技術可以讓虛擬現實場景的物理特性更加真實，包括重力、碰撞等特性。動畫制作技術可以讓虛擬現實場景中的人物、動物和物體更加生動活潑，增強虛擬現實場景的真實感。虛擬現實引擎是虛擬現實制作的核心技術，它可以將虛擬現實場景的各個組成部分集成起來，并實時渲染出逼真的虛擬現實場景。
VR設備分類
PC/游戲機連接型VR設備：需要連接到PC或游戲機上運行，例如Oculus Rift和HTC Vive等。這種設備的優點是畫質較高、控制器操作更為靈活，但需要較高的電腦配置和較大的空間，價格較貴。主要應用于游戲、娛樂等領域。
獨立式VR設備：不需要連接到其他設備，例如Oculus Quest和HTC Vive Focus等。這種設備的優點是便于攜帶、使用方便，但畫質相對較低，游戲和軟件選擇也較少。主要應用于娛樂、培訓和教育等領域。
手機連接型VR設備：需要將智能手機插入VR設備中，例如Samsung Gear VR和Google Daydream View等。這種設備的優點是價格較低、便于攜帶，但畫質和控制器操作較為受限制，主要應用于娛樂和教育等領域。
AR/VR一體機：結合了增強現實（AR）和虛擬現實（VR）技術，例如Microsoft HoloLens和Magic Leap One等。這種設備的優點是可以在現實環境中呈現虛擬內容，具有更大的應用空間，但價格較高，主要應用于教育、醫療、設計等領域。
應用
娛樂
虛擬現實技術由于具有良好的沉浸性與互動性，使得其與游戲娛樂行業產生天然的適應性。在虛擬現實技術的加持下，人們可以享受前所未有的虛擬體驗。虛擬現實游戲通常需要游戲玩家通過頭戴顯示器進行體驗操作，玩家在游戲中可以獲得高度沉浸感。虛擬現實技術與傳統電影業的結合，使觀影者不僅僅做一個觀看者，而是成為一個參與者沉浸于其中。虛擬現實演唱會可以讓用戶隨時隨地與偶像”零距離”面對面，可以從不同角度觀看表演，仿佛聲音就在耳邊起落。設備方面，例如：Oculus Quest 2是一款自包含的VR頭戴式設備，無需外部計算機或手機支持，可以提供高品質的VR游戲體驗。用戶可以在這個設備上玩許多不同類型的游戲，從冒險游戲到體育游戲和射擊游戲都有。
軍事
在軍事領域，虛擬現實主要為武器裝備確定需求，為部隊模擬訓練提供虛擬戰場場景，制定作戰條令和作戰計劃等。當前，各國軍隊都正努力將軍事仿真與虛擬現實訓練作為軍事實力提高的一個顯著標志。例如，美國軍方以NASA為首，致力于把虛擬現實技術用于各種航空武器系統操縱人員，特別是飛機駕駛員和宇航員的模擬訓練。澳大利亞國防部的國防科技集團發起一項探討虛擬現實和軍事防御力其潛在的應用前景的研究等。
工業
虛擬現實技術的出現給工業領域帶來深層次的技術支持，虛擬現實技術的應用使得從工業生產機械設備的運作狀態，工況監測數據到產品的裝配、調試環節都能實現三維立體可視化，讓生產場景真實地呈現在人們眼前。例如，Ford、Chrysler和Caterillar汽車公司已經把虛擬現實應用于車輛設計。摩托羅拉公司則應用于訓練裝配工人，密歇根大學已成立了虛擬現實中心聯盟來研究虛擬現實的工業應用，這一聯盟包括通用汽車、福特汽車公司、克萊斯勒汽車公司等。設備方面，例如：IrisVR Prospect是一款基于VR技術的建筑設計軟件，可以幫助建筑師和設計師更好地可視化和交流他們的設計想法。這個軟件可以將建筑設計轉換為可交互的虛擬現實場景，讓用戶在VR中體驗和探索建筑物。
教育
虛擬現實技術所擁有的沉浸性和交互性可以為學習者直接提供可交互的三維立體空間，并將學習者置于主動學習的中心地位，從而有利于學習者對知識的建構。例如，用虛擬環境技術構建的虛擬物理實驗室、化學實驗室等，在虛擬實驗室中學生可以使用虛擬的儀器進行操作，教師也可以對學生給予及時的實驗指導。以虛擬現實技術將圖書館全部信息整合在計算機中，構建虛擬圖書館，用戶只需要通過移動鼠標，就可以對虛擬圖書館內的所有數字化資源進行任意瀏覽。設備方面，例如：HTC Vive Pro是一款高級的VR頭戴式設備，為教育和培訓提供了許多可能性。這個設備可以幫助用戶學習新技能、研究新概念，例如學習人體解剖學或者在虛擬現實場景中練習操作技巧。
醫療
虛擬現實技術是一種新興的心理咨詢和治療工具，它可以為客戶提供更加真實、沉浸式的體驗。在心理咨詢方面，VR可以幫助客戶更好地認知和處理他們的情緒、壓力和恐懼等問題。同時，VR還可以為醫生和治療師提供更直觀的數據，幫助他們更好地了解客戶的狀態和需求，提供更加個性化的治療方案。
航空航天
VR技術在航空航天領域的應用包括飛行模擬器、維修培訓、航空設計和空間探索等方面。其中，飛行模擬器是VR技術最常見的應用之一，可以幫助飛行員在虛擬環境中進行飛行訓練，提高其飛行技能和應對緊急情況的能力。同時，VR技術還可以用于航空維修培訓，幫助維修人員熟悉機械設備和操作流程。
局限性
終端輕量化差
目前的虛擬現實設備如頭戴顯示器、VR眼鏡等僅能在較大體積與重量下內置CPU與GPU來滿足計算速度、傳輸速率等要求，設備顯示的畫面質量差、眩暈感明顯，頭戴設備有較大重量，由此帶給用戶的體驗較差。
網絡傳輸限制
受通信網絡傳輸速度影響，現行的4G網絡無法滿足高分辨率的VR顯示要求。在90Hz刷新率情況下，即使是最低的1K分辨率的VR頭顯也需要21Mbps碼率，而4G僅能提供10Mbps的碼率，難以滿足最低的VR顯示要求，用戶很難以流暢的速度體驗VR視頻。
設備價格較高
虛擬現實設備的價格相對較高，使得普通消費者難以承受。一些高端VR頭顯的價格可以達到數千美元，而且使用這些設備還需要一臺強大的電腦或游戲主機來支持。因此，VR技術目前仍然主要面向游戲玩家和專業用戶等小眾市場。
缺乏優質內容
虛擬現實應用程序的數量和質量也存在一定的限制。雖然VR游戲日益增多，但是很多內容質量不高，且缺乏長期的支持和更新。此外，許多VR應用程序還只能提供有限的交互和體驗，無法真正實現完整的虛擬現實體驗。
參考資料 >
服務器內部錯誤.江蘇智慧教育云平臺.2025-08-14
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Prospect - Immersive VR Walkthroughs | View 3D Models in VR.irisvr.2023-03-17
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