通過模擬現(xiàn)實世界中的事物為生產生活服務，是人類實現(xiàn)進步的重要手段。古代兵馬俑、木牛流馬等實物仿真，工業(yè)時代的機電類仿真，信息時代的計算機數(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、計算機圖形學、自然人機交互等技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)的出現(xiàn)，令人類仿真水平實現(xiàn)質的飛躍，達到新的境界。

以顛覆性技術帶來全新認知手段

虛擬現(xiàn)實是應用計算機技術，模擬出在視覺、聽覺、觸覺等方面與真實或構想環(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、運動捕獲裝置等必要設備，與數(shù)字化環(huán)境中的對象進行交互，產生親臨環(huán)境的感受和體驗。

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

設計實現(xiàn)一個虛擬現(xiàn)實系統(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。數(shù)據(jù)是構建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎。數(shù)據(jù)獲取設備有照相、攝像、3D激光掃描等通用型和CT、核磁等領域專用型兩大類。數(shù)據(jù)獲取的質量直接決定虛擬現(xiàn)實技術在各行業(yè)領域的應用效果。建模是現(xiàn)實世界中的對象在計算機中的數(shù)據(jù)表示，即利用數(shù)學、物理知識、各種數(shù)字化技術，將現(xiàn)實世界中的對象及其相互關系、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。通過輸出設備，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)實是一項具有顛覆性的技術。它致力于突破二維顯示，實現(xiàn)三維呈現(xiàn);突破固定屏幕，實現(xiàn)佩戴式自由觀看;突破鍵盤鼠標的傳統(tǒng)輸入方式，實現(xiàn)人的身體與虛擬環(huán)境手、眼、行相協(xié)調的自然交互;突破時空局限，體驗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)實技術正在對人類社會產生重大影響。許多科技機構和專家認為，虛擬現(xiàn)實是繼個人電腦、智能手機之后的新一代計算平臺，是互聯(lián)網未來的新入口，將成為人類認識世界、體驗世界和改造世界的新手段。

為人類生產帶來新模態(tài)，為人類生活帶來新體驗

上世紀60年代，虛擬現(xiàn)實的概念開始提出。八九十年代，虛擬現(xiàn)實應用于軍事、制造、醫(yī)療等行業(yè)，取得令人矚目的成績。經過多年發(fā)展，虛擬現(xiàn)實新技術開始進入大眾消費領域，給人們帶來全新體驗，在大眾消費市場，“虛擬現(xiàn)實+”成為發(fā)展趨勢。

軍事是應用虛擬現(xiàn)實比較早的一個領域。80年代初，一些國家的軍隊開始采用虛擬現(xiàn)實技術構建虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，用于軍事訓練?，F(xiàn)在虛擬現(xiàn)實技術已全面應用于一些國家各軍兵種及聯(lián)合作戰(zhàn)訓練、規(guī)劃、預演和決策。進入21世紀，行動更復雜、節(jié)奏更快速、空間更廣闊的未來戰(zhàn)爭對虛擬現(xiàn)實技術提出了更新更高的需求。

虛擬現(xiàn)實技術應用于裝備制造，產生了許多新的制造技術，如沉浸式設計、虛擬樣機與評價、虛擬組裝、增強現(xiàn)實裝拆導引以及操作維護培訓等。近年來興起的數(shù)字孿生技術將虛擬現(xiàn)實應用場景擴展到裝備設計、樣機、生產、裝配、銷售、培訓、運維等環(huán)節(jié)，全面提升生產和管理效率。

醫(yī)療健康是虛擬現(xiàn)實技術的重要應用領域。90年代出現(xiàn)點位式數(shù)字人體和虛擬人體器官。虛擬人體為醫(yī)藥研究提供全新實驗平臺，并在臨床治療方面為手術規(guī)劃、預演、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)實應用比較廣泛的一個領域。采用虛擬現(xiàn)實技術可以構建各種教學場景，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，從而大幅提升學習體驗和效率。此外，虛擬現(xiàn)實圖書將傳統(tǒng)紙質圖書內容動態(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、教學方式產生重要影響。

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

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

突破數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，迎來長足發(fā)展

隨著5G技術的普及，虛擬現(xiàn)實將突破數(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、與人工智能技術深度融合。

目前，虛擬現(xiàn)實的逼真性主要體現(xiàn)在對象的形態(tài)和外觀，物理特征局限在運動學和動力學范圍。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)實的基本特征，交互的高度自然化是必然趨勢。首先，計算機系統(tǒng)將對用戶完全透明，人與其虛擬現(xiàn)實應用環(huán)境的自然交互將取代通過鍵盤鼠標的人機交互;二是頭戴式顯示設備進一步向高清、舒適、輕量化發(fā)展，頭戴式顯示設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)實的觸覺識、辨別技術，虛擬現(xiàn)實柔韌感和溫濕感技術得到應用，出現(xiàn)更多個性化的交互設備器具。

未來，人工智能技術將深度融入虛擬現(xiàn)實系統(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護理等將更加逼真;另一方面是虛擬現(xiàn)實內容研發(fā)與生產將更加智能化和自動化，大眾喜聞樂見的VR新聞、VR影視、VR游戲將更加豐富。

數(shù)字孿生是虛擬現(xiàn)實應用的深化發(fā)展。數(shù)字孿生應用使得物聯(lián)網連接對象擴展為實物及其虛擬孿生，將實物對象空間與虛擬對象空間聯(lián)通，形成虛實混合空間。物聯(lián)網也將發(fā)展成為新一代的數(shù)字孿生網，從而大幅度提升各行業(yè)的生產運行效率，產生巨大經濟和社會效益。

豐富的數(shù)據(jù)源、廣闊的行業(yè)應用與巨大的消費需求，是我國虛擬現(xiàn)實產業(yè)發(fā)展的獨特優(yōu)勢。與此同時，我們在源頭技術原始創(chuàng)新、軟硬件基礎平臺建設、專用設備研發(fā)、標準化推進等方面還有很大的提升空間。“十四五”期間是我國虛擬現(xiàn)實產業(yè)走向集約優(yōu)化的關鍵時期，期待虛擬現(xiàn)實技術迎來長足發(fā)展，為我們的生活帶來更多精彩。

(趙沁平，作者為北京航空航天大學教授、中國工程院院士)

標簽： 虛擬現(xiàn)實 顛覆性技術