制圖：蔡華偉
圖片來源：影像中國

通過模擬現(xiàn)實(shí)世界中的事物為生產(chǎn)生活服務(wù)，是人類實(shí)現(xiàn)進(jìn)步的重要手段。古代兵馬俑、木牛流馬等實(shí)物仿真，工業(yè)時代的機(jī)電類仿真，信息時代的計算機(jī)數(shù)字仿真，將人類仿真水平不斷推向新的階段。隨著高性能計算、計算機(jī)圖形學(xué)、自然人機(jī)交互等技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，簡稱VR）的出現(xiàn)，令人類仿真水平實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，達(dá)到新的境界。

以顛覆性技術(shù)帶來全新認(rèn)知手段

虛擬現(xiàn)實(shí)是應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)，模擬出在視覺、聽覺、觸覺等方面與真實(shí)或構(gòu)想環(huán)境高度近似的數(shù)字化環(huán)境。用戶借助頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、運(yùn)動捕獲裝置等必要設(shè)備，與數(shù)字化環(huán)境中的對象進(jìn)行交互，產(chǎn)生親臨環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

廣義的虛擬現(xiàn)實(shí)還包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)虛擬。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是將計算機(jī)生成的數(shù)字化對象疊加在視頻圖像或現(xiàn)實(shí)環(huán)境之上，向用戶呈現(xiàn)出一種虛實(shí)結(jié)合的新環(huán)境；混合現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)類似，只是前者中的計算機(jī)生成對象與現(xiàn)實(shí)環(huán)境對象可區(qū)分，而后者難以區(qū)分。現(xiàn)在一般使用狹義的虛擬現(xiàn)實(shí)概念，即完全由計算機(jī)生成的虛擬對象和環(huán)境。

設(shè)計實(shí)現(xiàn)一個虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，需要數(shù)據(jù)采集、分析建模、繪制呈現(xiàn)、傳感交互等方面的技術(shù)。數(shù)據(jù)是構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)獲取設(shè)備有照相、攝像、3D激光掃描等通用型和CT、核磁等領(lǐng)域?qū)Ｓ眯蛢纱箢�。�?shù)據(jù)獲取的質(zhì)量直接決定虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用效果。建模是現(xiàn)實(shí)世界中的對象在計算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示，即利用數(shù)學(xué)、物理知識、各種數(shù)字化技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)世界中的對象及其相互關(guān)系、相互作用及動態(tài)變化規(guī)律等，映射為數(shù)字空間中的數(shù)據(jù)表達(dá)。通過輸出設(shè)備，虛擬環(huán)境中的各種對象模型以視覺、聽覺、觸覺等形式綜合呈現(xiàn)，讓用戶有身臨其境之感。虛擬現(xiàn)實(shí)的自然交互則指人在虛擬環(huán)境中的操作，以及虛擬環(huán)境對人的多感知反饋。

虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)具有顛覆性的技術(shù)。它致力于突破二維顯示，實(shí)現(xiàn)三維呈現(xiàn)；突破固定屏幕，實(shí)現(xiàn)佩戴式自由觀看；突破鍵盤鼠標(biāo)的傳統(tǒng)輸入方式，實(shí)現(xiàn)人的身體與虛擬環(huán)境手、眼、行相協(xié)調(diào)的自然交互；突破時空局限，體驗(yàn)者可以沉浸在歷史或未來、宏觀或微觀的逼真虛擬環(huán)境中。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在對人類社會產(chǎn)生重大影響。許多科技機(jī)構(gòu)和專家認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實(shí)是繼個人電腦、智能手機(jī)之后的新一代計算平臺，是互聯(lián)網(wǎng)未來的新入口，將成為人類認(rèn)識世界、體驗(yàn)世界和改造世界的新手段。

為人類生產(chǎn)帶來新模態(tài)，為人類生活帶來新體驗(yàn)

上世紀(jì)60年代，虛擬現(xiàn)實(shí)的概念開始提出。八九十年代，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于軍事、制造、醫(yī)療等行業(yè)，取得令人矚目的成績。經(jīng)過多年發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)新技術(shù)開始進(jìn)入大眾消費(fèi)領(lǐng)域，給人們帶來全新體驗(yàn)，在大眾消費(fèi)市場，“虛擬現(xiàn)實(shí)+”成為發(fā)展趨勢。

軍事是應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)比較早的一個領(lǐng)域。80年代初，一些國家的軍隊開始采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，用于軍事訓(xùn)練�，F(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已全面應(yīng)用于一些國家各軍兵種及聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練、規(guī)劃、預(yù)演和決策。進(jìn)入21世紀(jì)，行動更復(fù)雜、節(jié)奏更快速、空間更廣闊的未來戰(zhàn)爭對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提出了更新更高的需求。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于裝備制造，產(chǎn)生了許多新的制造技術(shù)，如沉浸式設(shè)計、虛擬樣機(jī)與評價、虛擬組裝、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝拆導(dǎo)引以及操作維護(hù)培訓(xùn)等。近年來興起的數(shù)字孿生技術(shù)將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場景擴(kuò)展到裝備設(shè)計、樣機(jī)、生產(chǎn)、裝配、銷售、培訓(xùn)、運(yùn)維等環(huán)節(jié)，全面提升生產(chǎn)和管理效率。

醫(yī)療健康是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。90年代出現(xiàn)點(diǎn)位式數(shù)字人體和虛擬人體器官。虛擬人體為醫(yī)藥研究提供全新實(shí)驗(yàn)平臺，并在臨床治療方面為手術(shù)規(guī)劃、預(yù)演、優(yōu)選提供前所未有的支持手段。

文化教育也是目前虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用比較廣泛的一個領(lǐng)域。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以構(gòu)建各種教學(xué)場景，如微觀世界的分子、原子，宇觀世界的太空、太陽系，以及人體三維器官、重大歷史事件場景等，從而大幅提升學(xué)習(xí)體驗(yàn)和效率。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)圖書將傳統(tǒng)紙質(zhì)圖書內(nèi)容動態(tài)、立體化地呈現(xiàn)給讀者，提升了圖書閱讀的沉浸感和理解效果，對閱讀、教學(xué)方式產(chǎn)生重要影響。

虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于電子商務(wù)，將商品的二維圖片展示發(fā)展為更具真實(shí)感的三維全貌呈現(xiàn)，消費(fèi)者甚至可以通過手機(jī)或電腦感受試戴、試穿、試用效果。正在發(fā)展中的其他應(yīng)用還有虛擬現(xiàn)實(shí)+建筑、虛擬現(xiàn)實(shí)+文旅和智慧城市等�？梢钥吹�，這些應(yīng)用拓展了人類的感知效能，改變了行業(yè)的產(chǎn)品形態(tài)和服務(wù)模式，推動行業(yè)實(shí)現(xiàn)升級換代式的發(fā)展。

總之，虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展為人類生產(chǎn)帶來新模態(tài)，為人類生活帶來新體驗(yàn)，同時形成具有發(fā)展前景的新型產(chǎn)業(yè)。

突破數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，迎來長足發(fā)展

隨著5G技術(shù)的普及，虛擬現(xiàn)實(shí)將突破數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，迎來快速發(fā)展：系統(tǒng)深度更加逼真、交互高度更加自然、與人工智能技術(shù)深度融合。

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)的逼真性主要體現(xiàn)在對象的形態(tài)和外觀，物理特征局限在運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)范圍。深度逼真將使對象物體的其他物理特征如彈塑性、材料屬性以及生命體對象的生理生化特征有更加豐富的體現(xiàn)。

交互性是虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特征，交互的高度自然化是必然趨勢。首先，計算機(jī)系統(tǒng)將對用戶完全透明，人與其虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用環(huán)境的自然交互將取代通過鍵盤鼠標(biāo)的人機(jī)交互；二是頭戴式顯示設(shè)備進(jìn)一步向高清、舒適、輕量化發(fā)展，頭戴式顯示設(shè)備的眩暈感逐步減輕，眼動跟蹤等也會使交互更加自然；三是AR眼鏡逐步取代屏幕顯示；四是虛擬現(xiàn)實(shí)的觸覺識、辨別技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)柔韌感和溫濕感技術(shù)得到應(yīng)用，出現(xiàn)更多個性化的交互設(shè)備器具。

未來，人工智能技術(shù)將深度融入虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。一方面將帶來虛擬環(huán)境中虛擬對象與交互的智能化，VR主播、VR助教、VR護(hù)理等將更加逼真；另一方面是虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容研發(fā)與生產(chǎn)將更加智能化和自動化，大眾喜聞樂見的VR新聞、VR影視、VR游戲?qū)⒏�加豐富。

數(shù)字孿生是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的深化發(fā)展。數(shù)字孿生應(yīng)用使得物聯(lián)網(wǎng)連接對象擴(kuò)展為實(shí)物及其虛擬孿生，將實(shí)物對象空間與虛擬對象空間聯(lián)通，形成虛實(shí)混合空間。物聯(lián)網(wǎng)也將發(fā)展成為新一代的數(shù)字孿生網(wǎng)，從而大幅度提升各行業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行效率，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)和社會效益。

豐富的數(shù)據(jù)源、廣闊的行業(yè)應(yīng)用與巨大的消費(fèi)需求，是我國虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的獨(dú)特優(yōu)勢。與此同時，我們在源頭技術(shù)原始創(chuàng)新、軟硬件基礎(chǔ)平臺建設(shè)、專用設(shè)備研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)等方面還有很大的提升空間�！笆�四五”期間是我國虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)走向集約優(yōu)化的關(guān)鍵時期，期待虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)迎來長足發(fā)展，為我們的生活帶來更多精彩。

（作者為北京航空航天大學(xué)教授、中國工程院院士）

推薦書目：

1.《實(shí)時三維圖形技術(shù)》：趙沁平等著；科學(xué)出版社出版。

2.《虛擬現(xiàn)實(shí)的10堂課》：龐國鋒等編著；電子工業(yè)出版社出版。

3.《增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)論》：王涌天等著；科學(xué)出版社出版。