虛擬現(xiàn)實是一種基于可計算信息的沉浸式交互環(huán)境。具體來說，就是采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高技術生成逼真的視、聽、觸覺一體化的一定范圍的虛擬環(huán)境，用戶可以借助必要的裝備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的物體進行交互作用、相互影響，從而獲得等同真實環(huán)境的感受和體驗。當前，發(fā)達國家政府和大公司正在從國家戰(zhàn)略和大眾生活兩條不同的戰(zhàn)線搶占虛擬技術的制高點。

　　2013年美國政府和歐盟相繼宣布實施“腦計劃”，欲構(gòu)建人腦模型和虛擬人腦；2014年，F(xiàn)acebook公司宣布斥資20億美元收購虛擬現(xiàn)實設備公司Oculus，隨后Google、微軟等大公司接連推出自己的虛擬現(xiàn)實頭盔顯示器，高調(diào)宣布進入這一熱門領域。

　　“虛擬現(xiàn)實+”技術的發(fā)展期

　　經(jīng)過30多年的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實在許多行業(yè)領域取得了可喜的應用成果，成為其發(fā)展的新的信息技術支撐平臺。虛擬現(xiàn)實與+X（應用領域）的關系，就類似于數(shù)學和物理，“虛擬現(xiàn)實+”技術開始進入發(fā)展期。

　　虛擬現(xiàn)實技術與各個行業(yè)的結(jié)合越來越緊密，要想做到兩者的真正融合，目前仍有許多重大技術瓶頸需要突破。

　　比如，在軍事領域應用虛擬現(xiàn)實技術中，假設擊中一架直升機之后，直升機向下掉，是尾巴掉，還是旋翼掉，是無法按照實時的爆炸力去判斷的，而是需要先建模。那么，如何做到更加真實是亟須解決的問題。除此之外，目前有限帶寬和低計算資源下的圖形圖像處理低效；模型的復雜性、可建模性和可信性理論還有待突破；真三維顯示、人體感交互與自然化人機交互設備不盡如人意。

　　隨著相關領域技術應用與虛擬現(xiàn)實技術相互的促進，會為虛擬現(xiàn)實提出新的元素、機會和平臺。比如一些新型虛擬現(xiàn)實交互設備，如全息、光塑顯示、可穿戴設備與體感交互、移動終端應用、新型網(wǎng)絡應用、人體科學等領域以及大數(shù)據(jù)應用等。

　　隨著技術的進步與突破，或?qū)е滦乱淮摂M現(xiàn)實系統(tǒng)的出現(xiàn)，并逐步形成虛擬現(xiàn)實人機交互設備，行業(yè)應用模擬器、虛擬環(huán)境，網(wǎng)絡、移動終端虛擬現(xiàn)實，虛擬現(xiàn)實平臺軟件與嵌入式系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實服務等新的產(chǎn)業(yè)增長點。

　　實現(xiàn)一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)需三項技術

　　虛擬現(xiàn)實的目標是以計算機技術為核心，結(jié)合相關科學技術，生成一定范圍真實環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備和數(shù)字化環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，可以產(chǎn)生親臨相應真實環(huán)境的感受和體驗。

　　虛擬現(xiàn)實可以說是隨著計算機技術，特別是計算機圖形學和人機交互技術的發(fā)展，人類在模擬真實世界方向上達到的最新境界。

　　虛擬現(xiàn)實具有3I特性，即沉浸感，參與者全身心地沉浸于計算機所生成的三維虛擬環(huán)境，產(chǎn)生身臨其境的感覺；交互性，參與者可以利用各種交互設備和虛擬環(huán)境進行交互；構(gòu)想性，參與者借助VR系統(tǒng)給出的逼真視聽觸覺而產(chǎn)生對虛擬空間的想象。實現(xiàn)一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，大體需要三方面的技術，即建模、表現(xiàn)與交互。

　　第一類是現(xiàn)實世界的對象在計算機數(shù)字空間的表示問題，也就是建模。建模需要通過數(shù)學、物理，以及各種數(shù)字化方法將現(xiàn)實世界中的對象、對象之間的關系、相互作用及動態(tài)變化所遵循的規(guī)律映射為數(shù)字空間中的各種動靜態(tài)數(shù)據(jù)。

　　建模方法與所要模擬的對象類有關，也與應用領域密切相關。針對所要模擬對象的不同方面，建模方法分為幾何外觀建模、基于物理的建模、行為建模和虛實融合建模等。由于現(xiàn)實世界形態(tài)的復雜性、發(fā)展的無限性，以及人類認識世界的局限性，使得建模成為虛擬現(xiàn)實領域永恒的研究方向。

　　第二類問題是虛擬環(huán)境對象的表現(xiàn)，包括視、聽、觸/力、嗅/味等的表現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)技術將虛擬環(huán)境中的各種對象模型通過不同的表現(xiàn)方法、算法渲染在表現(xiàn)設備上，以沉浸方式呈現(xiàn)給用戶。

　　表現(xiàn)方法和對象模型及表現(xiàn)設備直接相關。表現(xiàn)設備，如頭盔、真三維顯示、力反饋操縱和觸覺數(shù)據(jù)手套等都在不斷發(fā)展，因此，這也是一個無窮盡的問題領域。

　　第三類問題是人對虛擬環(huán)境中對象的操作，以及虛擬環(huán)境對象對現(xiàn)實世界的作用，也就是虛擬現(xiàn)實人機交互問題，主要涉及人或外部世界與虛擬環(huán)境之間互相作用的信息交換方式與人機交互設備。自然人機交互是目前的一個研究熱點。

　　經(jīng)過30多年的發(fā)展，VR在許多行業(yè)領域取得可喜的應用成果，成為其發(fā)展的新的信息技術支撐平臺。VR與各應用領域的關系，類似于數(shù)學和物理，VR+成為發(fā)展趨勢，VR產(chǎn)業(yè)處于爆發(fā)性發(fā)展前夜。

　　“虛擬現(xiàn)實+”的爆發(fā)性發(fā)展前夜

　　VR技術進入了VR+發(fā)展期，進入了國家各行業(yè)領域，進入了大眾生活、互聯(lián)網(wǎng)和移動終端。許多IT公司，包括Facebook、谷歌、微軟等將VR視為下一代計算平臺，紛紛推出自己的VR創(chuàng)新產(chǎn)品，或通過收購VR公司，布局VR業(yè)務，搶占VR產(chǎn)業(yè)制高點。

　　2014年，F(xiàn)acebook宣布20億美元收購VR設備公司Oculus；2015年，微軟宣布研發(fā)虛擬現(xiàn)實眼鏡Hololens；谷歌領投的VR公司MagicLeap突破一項顛覆性技術，能使虛擬物體看起來與現(xiàn)實生活中完全一樣。該技術將給影視、游戲、商務、旅游等行業(yè)帶來全新機會和顛覆性影響。

　　虛擬現(xiàn)實的幾個發(fā)展趨勢

　　虛擬現(xiàn)實大體上有幾個發(fā)展趨勢。首先VR將會與AI技術結(jié)合，使其特征由3I成為4IE，即VR系統(tǒng)會具有智能和自我演進演化特征；在VR建模技術方面會從目前以幾何、物理建模為主向幾何、物理、生理、行為、智能建模發(fā)展；在交互技術與設備方面會出現(xiàn)一些顛覆性技術，如光場全息顯示、實時同聲翻譯、觸感溫濕感交互和味覺等。

　　現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)距離VR+的期望目標，尚存在若干重大技術瓶頸，例如：各類數(shù)據(jù)的獲取，多源數(shù)據(jù)/模型無縫融合，新概念數(shù)據(jù)獲取機制與設備，非剛體物理建模以及自由交互與實時逼真響應，行為、智能與演化模型，模型的可建模性、復雜性與可信性，真三維顯示與自然化人機交互機制與交互設備，應用效果的評價等。

　　VR技術的發(fā)展可以促進許多行業(yè)升級換代式發(fā)展，如航空航天、國防軍事、裝備制造、智慧城市、醫(yī)療健康、公共安全、文化教育等；會對許多產(chǎn)業(yè)帶來顛覆性影響，如影視、游戲、旅游、直播、商務、社交網(wǎng)絡等，同時可望形成新型的VR產(chǎn)業(yè)生長點，如：虛擬現(xiàn)實人機交互設備產(chǎn)業(yè)，行業(yè)應用模擬器、虛擬環(huán)境產(chǎn)業(yè)，虛擬現(xiàn)實平臺軟件與嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，領域和行業(yè)模型數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)，網(wǎng)絡、移動終端虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)和虛擬現(xiàn)實服務產(chǎn)業(yè)等。

　　（以上內(nèi)容根據(jù)趙沁平在中國計算機協(xié)會青年計算機論壇上的演講以及在其他場合的采訪文字整理而成，未經(jīng)本人確認。）

　　■中國工程院院士 趙沁平

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