“虚拟现实+”技术的几个发展阶段

　　虚拟现实是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境。具体来说，就是采用以计算机技术为核心的现代高技术生成逼真的视、听、触觉一体化的一定范围的虚拟环境，用户可以借助必要的装备以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响，从而获得等同真实环境的感受和体验。当前，发达国家政府和大公司正在从国家战略和大众生活两条不同的战线抢占虚拟技术的制高点。

　　2013年美国政府和欧盟相继宣布实施“脑计划”，欲构建人脑模型和虚拟人脑；2014年，Facebook公司宣布斥资20亿美元收购虚拟现实设备公司Oculus，随后Google、微软等大公司接连推出自己的虚拟现实头盔显示器，高调宣布进入这一热门领域。

　　“虚拟现实+”技术的发展期

　　经过30多年的发展，虚拟现实在许多行业领域取得了可喜的应用成果，成为其发展的新的信息技术支撑平台。虚拟现实与+X（应用领域）的关系，就类似于数学和物理，“虚拟现实+”技术开始进入发展期。

　　虚拟现实技术与各个行业的结合越来越紧密，要想做到两者的真正融合，目前仍有许多重大技术瓶颈需要突破。

　　比如，在军事领域应用虚拟现实技术中，假设击中一架直升机之后，直升机向下掉，是尾巴掉，还是旋翼掉，是无法按照实时的爆炸力去判断的，而是需要先建模。那么，如何做到更加真实是亟须解决的问题。除此之外，目前有限带宽和低计算资源下的图形图像处理低效；模型的复杂性、可建模性和可信性理论还有待突破；真三维显示、人体感交互与自然化人机交互设备不尽如人意。

　　随着相关领域技术应用与虚拟现实技术相互的促进，会为虚拟现实提出新的元素、机会和平台。比如一些新型虚拟现实交互设备，如全息、光塑显示、可穿戴设备与体感交互、移动终端应用、新型网络应用、人体科学等领域以及大数据应用等。

　　随着技术的进步与突破，或将导致新一代虚拟现实系统的出现，并逐步形成虚拟现实人机交互设备，行业应用模拟器、虚拟环境，网络、移动终端虚拟现实，虚拟现实平台软件与嵌入式系统，虚拟现实服务等新的产业增长点。

　　实现一个虚拟现实系统需三项技术

　　虚拟现实的目标是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备和数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临相应真实环境的感受和体验。

　　虚拟现实可以说是随着计算机技术，特别是计算机图形学和人机交互技术的发展，人类在模拟真实世界方向上达到的最新境界。

　　虚拟现实具有3I特性，即沉浸感，参与者全身心地沉浸于计算机所生成的三维虚拟环境，产生身临其境的感觉；交互性，参与者可以利用各种交互设备和虚拟环境进行交互；构想性，参与者借助VR系统给出的逼真视听触觉而产生对虚拟空间的想象。实现一个虚拟现实系统，大体需要三方面的技术，即建模、表现与交互。

　　第一类是现实世界的对象在计算机数字空间的表示问题，也就是建模。建模需要通过数学、物理，以及各种数字化方法将现实世界中的对象、对象之间的关系、相互作用及动态变化所遵循的规律映射为数字空间中的各种动静态数据。

　　建模方法与所要模拟的对象类有关，也与应用领域密切相关。针对所要模拟对象的不同方面，建模方法分为几何外观建模、基于物理的建模、行为建模和虚实融合建模等。由于现实世界形态的复杂性、发展的无限性，以及人类认识世界的局限性，使得建模成为虚拟现实领域永恒的研究方向。

　　第二类问题是虚拟环境对象的表现，包括视、听、触/力、嗅/味等的表现。虚拟现实表现技术将虚拟环境中的各种对象模型通过不同的表现方法、算法渲染在表现设备上，以沉浸方式呈现给用户。

　　表现方法和对象模型及表现设备直接相关。表现设备，如头盔、真三维显示、力反馈操纵和触觉数据手套等都在不断发展，因此，这也是一个无穷尽的问题领域。

　　第三类问题是人对虚拟环境中对象的操作，以及虚拟环境对象对现实世界的作用，也就是虚拟现实人机交互问题，主要涉及人或外部世界与虚拟环境之间互相作用的信息交换方式与人机交互设备。自然人机交互是目前的一个研究热点。

　　经过30多年的发展，VR在许多行业领域取得可喜的应用成果，成为其发展的新的信息技术支撑平台。VR与各应用领域的关系，类似于数学和物理，VR+成为发展趋势，VR产业处于爆发性发展前夜。

　　“虚拟现实+”的爆发性发展前夜

　　VR技术进入了VR+发展期，进入了国家各行业领域，进入了大众生活、互联网和移动终端。许多IT公司，包括Facebook、谷歌、微软等将VR视为下一代计算平台，纷纷推出自己的VR创新产品，或通过收购VR公司，布局VR业务，抢占VR产业制高点。

　　2014年，Facebook宣布20亿美元收购VR设备公司Oculus；2015年，微软宣布研发虚拟现实眼镜Hololens；谷歌领投的VR公司MagicLeap突破一项颠覆性技术，能使虚拟物体看起来与现实生活中完全一样。该技术将给影视、游戏、商务、旅游等行业带来全新机会和颠覆性影响。

　　虚拟现实的几个发展趋势

　　虚拟现实大体上有几个发展趋势。首先VR将会与AI技术结合，使其特征由3I成为4IE，即VR系统会具有智能和自我演进演化特征；在VR建模技术方面会从目前以几何、物理建模为主向几何、物理、生理、行为、智能建模发展；在交互技术与设备方面会出现一些颠覆性技术，如光场全息显示、实时同声翻译、触感温湿感交互和味觉等。

　　现有虚拟现实系统距离VR+的期望目标，尚存在若干重大技术瓶颈，例如：各类数据的获取，多源数据/模型无缝融合，新概念数据获取机制与设备，非刚体物理建模以及自由交互与实时逼真响应，行为、智能与演化模型，模型的可建模性、复杂性与可信性，真三维显示与自然化人机交互机制与交互设备，应用效果的评价等。

　　VR技术的发展可以促进许多行业升级换代式发展，如航空航天、国防军事、装备制造、智慧城市、医疗健康、公共安全、文化教育等；会对许多产业带来颠覆性影响，如影视、游戏、旅游、直播、商务、社交网络等，同时可望形成新型的VR产业生长点，如：虚拟现实人机交互设备产业，行业应用模拟器、虚拟环境产业，虚拟现实平台软件与嵌入式系统产业，领域和行业模型数据产业，网络、移动终端虚拟现实产业和虚拟现实服务产业等。

　　（以上内容根据赵沁平在中国计算机协会青年计算机论坛上的演讲以及在其他场合的采访文字整理而成，未经本人确认。）

　　■中国工程院院士 赵沁平

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