虛擬現(xiàn)實(shí)：一種全新的社會(huì)發(fā)展信息技術(shù)支撐平臺(tái)
——專訪中國(guó)工程院院士趙沁平

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虛擬現(xiàn)實(shí)：一種全新的社會(huì)發(fā)展信息技術(shù)支撐平臺(tái)
——專訪中國(guó)工程院院士趙沁平

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)已經(jīng)有幾十年的發(fā)展史。早期，由于計(jì)算機(jī)能力的不足，VR技術(shù)的發(fā)展相當(dāng)困難。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的大幅度提升，VR技術(shù)得以高速發(fā)展，不但在國(guó)防、航空航天、工業(yè)制造等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，也在個(gè)人娛樂(lè)等方面進(jìn)入了消費(fèi)領(lǐng)域。

可以想見(jiàn)，未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，VR都將是信息產(chǎn)業(yè)和信息技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，它的逐步成熟和推廣應(yīng)用，將對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

令人欣喜的是，中國(guó)的VR技術(shù)與國(guó)外相比，基本上處在齊頭并進(jìn)的態(tài)勢(shì)。這要?dú)w功于專注VR領(lǐng)域的諸多辛勤耕耘的行業(yè)中堅(jiān)。現(xiàn)任虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任的趙沁平院士就是其中一位學(xué)術(shù)領(lǐng)袖。

新年伊始，本刊記者有幸面見(jiàn)趙沁平院士，就VR技術(shù)的發(fā)展做了一番討教。

VR技術(shù)的一些核心概念

長(zhǎng)久以來(lái)，人類就一直在追求模擬仿制真實(shí)世界的事物為人所用。“草船借箭”中的稻草人，“紙船明燭照天燒”中的紙船，軍隊(duì)訓(xùn)練拼刺刀用的木槍就是對(duì)人、船和槍的簡(jiǎn)單實(shí)物仿真。

VR是一個(gè)很時(shí)髦的新概念，但是趙院士指出，人類一直在追求模擬仿制真實(shí)世界的事物為人所用。“草船借箭”中的稻草人，“紙船明燭照天燒”中的紙船，軍隊(duì)訓(xùn)練拼刺刀用的木槍就是對(duì)人、船和槍的簡(jiǎn)單實(shí)物仿真。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展把人類的這一追求不斷推向新的階段和高度。我們今天所談的虛擬現(xiàn)實(shí)用英文稱為“Virtual Reality”（VR）是用計(jì)算機(jī)而非實(shí)物來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界。VR是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谀M現(xiàn)實(shí)世界方向上達(dá)到的最新境界。

有了計(jì)算機(jī)，人類在模擬現(xiàn)實(shí)世界方面就有了全新的強(qiáng)大工具。在用實(shí)物模仿真實(shí)世界的階段，人們只能模擬其中很少的一些特征，比如用稻草人來(lái)模擬人類的形體。有了計(jì)算機(jī)技術(shù)，就能生成與一定范圍真實(shí)世界在視、聽(tīng)、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與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用，相互影響，從而產(chǎn)生親臨相應(yīng)真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。例如我們所熟悉的美國(guó)計(jì)算機(jī)游戲《使命召喚》和國(guó)產(chǎn)游戲《光榮使命》。

既然要模擬現(xiàn)實(shí)世界，那么從理論上說(shuō)，VR就應(yīng)當(dāng)讓人的各種感官都能感受到現(xiàn)實(shí)世界的特征，包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)和方向感。顯然，這其中有著巨大的困難。

其中，真實(shí)感圖形圖像實(shí)時(shí)繪制是實(shí)現(xiàn)VR視覺(jué)感知的最重要手段, 是構(gòu)造虛擬環(huán)境的一項(xiàng)核心技術(shù)。人們圍繞VR視覺(jué)進(jìn)行了大量工作，也取得了顯著成就。趙院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力、觸覺(jué)等方面取得了很多成果。但是在味覺(jué)、嗅覺(jué)方面，世界上還普遍處于摸索階段，需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能取得實(shí)用化的成果。

VR+的用途和意義

與“互聯(lián)網(wǎng)+”一樣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也是各行業(yè)都可以采用并助力自身發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)。如今，虛擬現(xiàn)實(shí)＋成為一種新的發(fā)展趨勢(shì)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入了“+時(shí)代”。

解答了VR的基本理念之后，趙院士著重強(qiáng)調(diào)了VR+。與“互聯(lián)網(wǎng)+”一樣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也是各行業(yè)都可以采用并助力自身發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)。如今，虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念和基本實(shí)現(xiàn)方法已經(jīng)初步形成，并已從技術(shù)研究、系統(tǒng)研發(fā)等，發(fā)展到多種應(yīng)用階段。

上文中討論的諸多領(lǐng)域，都可以用VR+的理念來(lái)推動(dòng)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用推廣。所謂“+”，就是把兩個(gè)領(lǐng)域的內(nèi)容充分融合。VR+應(yīng)用領(lǐng)域，就是要把VR變成這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的支撐平臺(tái)。

通過(guò)實(shí)現(xiàn)VR+，與國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展相關(guān)的國(guó)防軍事、航空航天、裝備制造、智慧城市、公共安全等行業(yè)，以及與大眾生活密切相關(guān)的醫(yī)療健康、教育培訓(xùn)、商務(wù)消費(fèi)、文化娛樂(lè)、社交旅游等領(lǐng)域?qū)@得全新的信息技術(shù)支撐和動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代式發(fā)展。

普通人接觸VR技術(shù)，很多是通過(guò)戰(zhàn)爭(zhēng)主題電子游戲。實(shí)際上這與VR技術(shù)的重要應(yīng)用——軍事模擬訓(xùn)練——是非常類似的。前文提到的《光榮使命》就有商業(yè)和軍用兩個(gè)版本，前者用于大眾消費(fèi)，后者供部隊(duì)訓(xùn)練之用。

趙院士指出，VR如今不僅可以應(yīng)用于軍事訓(xùn)練，還可以供人們?cè)谔摂M人體上進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練和手術(shù)規(guī)劃，可乘虛擬光速航天器在虛擬太空漫游、體驗(yàn)相對(duì)論世界，供城市規(guī)劃、電視節(jié)目創(chuàng)意仿真、工程制造、教育等用途。

與傳統(tǒng)實(shí)物仿真手段相比，VR具有“3I”的特征，即沉浸感、交互性和構(gòu)想性（Immersion、Interaction、Imagination）。

總體上說(shuō)，就是要讓身處虛擬環(huán)境中的人們感覺(jué)自己是處在某個(gè)真實(shí)世界里，學(xué)習(xí)操作方法、發(fā)現(xiàn)各種問(wèn)題。VR還能讓人們體會(huì)到一些在現(xiàn)實(shí)世界中無(wú)法直接體會(huì)的東西，例如可見(jiàn)光頻段之外的電磁波，以及人類無(wú)法生存的惡劣環(huán)境。也可以虛擬出現(xiàn)實(shí)世界中不存在的事物，用于娛樂(lè)或者鍛煉心理素質(zhì)。

正是因?yàn)槿绱耍恍㊣T巨頭企業(yè)開(kāi)始將目光投向VR技術(shù)。2016年初美國(guó)著名投行高盛發(fā)布的一份報(bào)告，詳細(xì)分析了VR與AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展?fàn)顩r。根據(jù)市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，許多媒體將2016年稱為VR產(chǎn)業(yè)元年。

VR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展大有可為

技術(shù)突破將導(dǎo)致各行業(yè)VR+系統(tǒng)的出現(xiàn)，導(dǎo)致有關(guān)行業(yè)產(chǎn)業(yè)的新發(fā)展；隨著VR設(shè)備性能的不斷提高和價(jià)格的降低，會(huì)帶來(lái)VR大眾消費(fèi)的爆發(fā)式發(fā)展，并逐步形成如下新的VR產(chǎn)業(yè)生長(zhǎng)點(diǎn)：虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互設(shè)備產(chǎn)業(yè)；行業(yè)應(yīng)用模擬器、虛擬環(huán)境產(chǎn)業(yè)；虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)軟件與嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)；領(lǐng)域和行業(yè)模型數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)；網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)終端虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)；虛擬現(xiàn)實(shí)服務(wù)產(chǎn)業(yè)。

和各種新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)一樣，VR不但充滿活力和挑戰(zhàn)，也存在大量有待解決的問(wèn)題和難題，而且還在不斷產(chǎn)生新的理論和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，早在2008年，趙院士就提出了VR技術(shù)需要進(jìn)一步研究的10大科學(xué)問(wèn)題。最近，他又提出了7類問(wèn)題，主要有：各類數(shù)據(jù)的獲取，以及多源數(shù)據(jù)/模型無(wú)縫融合；新概念數(shù)據(jù)獲取機(jī)制與設(shè)備；非剛體物理建模以及自由交互與實(shí)時(shí)逼真響應(yīng)；行為、智能與演化模型；模型的可建模性、復(fù)雜性與可信性；真三維顯示與自然化人機(jī)交互機(jī)制與交互設(shè)備；應(yīng)用效果的評(píng)價(jià)等。

上述問(wèn)題的存在，也正是VR技術(shù)、VR產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展前進(jìn)的方向。趙院士表示，如果上述技術(shù)取得突破，將導(dǎo)致新一代VR+系統(tǒng)的出現(xiàn)，并逐步形成如下新的VR產(chǎn)業(yè)生長(zhǎng)點(diǎn)：虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互設(shè)備產(chǎn)業(yè)；行業(yè)應(yīng)用模擬器、虛擬環(huán)境產(chǎn)業(yè)；虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)軟件與嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)；領(lǐng)域和行業(yè)模型數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)；網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)終端虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)；虛擬現(xiàn)實(shí)服務(wù)產(chǎn)業(yè)。

趙沁平，1970年參加工作，1986年獲博士學(xué)位。歷任北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任、副校長(zhǎng)，國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)辦公室主任，教育部副部長(zhǎng)。2013年當(dāng)選中國(guó)工程院院士。現(xiàn)任中國(guó)科協(xié)副主席、中國(guó)仿真學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京航空航天大學(xué)）主任。

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