虚拟现实，让生活更精彩（开卷知新）

　　制图：蔡华伟
图片来源：影像中国

通过模拟现实世界中的事物为生产生活服务，是人类实现进步的重要手段。古代兵马俑、木牛流马等实物仿真，工业时代的机电类仿真，信息时代的计算机数字仿真，将人类仿真水平不断推向新的阶段。随着高性能计算、计算机图形学、自然人机交互等技术的发展，虚拟现实（VirtualReality，简称VR）的出现，令人类仿真水平实现质的飞跃，达到新的境界。

以颠覆性技术带来全新认知手段

虚拟现实是应用计算机技术，模拟出在视觉、听觉、触觉等方面与真实或构想环境高度近似的数字化环境。用户借助头盔显示器、数据手套、运动捕获装置等必要设备，与数字化环境中的对象进行交互，产生亲临环境的感受和体验。

广义的虚拟现实还包括增强现实、混合现实和增强虚拟。增强现实是将计算机生成的数字化对象叠加在视频图像或现实环境之上，向用户呈现出一种虚实结合的新环境；混合现实和增强现实类似，只是前者中的计算机生成对象与现实环境对象可区分，而后者难以区分。现在一般使用狭义的虚拟现实概念，即完全由计算机生成的虚拟对象和环境。

设计实现一个虚拟现实系统，需要数据采集、分析建模、绘制呈现、传感交互等方面的技术。数据是构建虚拟现实系统的基础。数据获取设备有照相、摄像、3D激光扫描等通用型和CT、核磁等领域专用型两大类。数据获取的质量直接决定虚拟现实技术在各行业领域的应用效果。建模是现实世界中的对象在计算机中的数据表示，即利用数学、物理知识、各种数字化技术，将现实世界中的对象及其相互关系、相互作用及动态变化规律等，映射为数字空间中的数据表达。通过输出设备，虚拟环境中的各种对象模型以视觉、听觉、触觉等形式综合呈现，让用户有身临其境之感。虚拟现实的自然交互则指人在虚拟环境中的操作，以及虚拟环境对人的多感知反馈。

虚拟现实是一项具有颠覆性的技术。它致力于突破二维显示，实现三维呈现；突破固定屏幕，实现佩戴式自由观看；突破键盘鼠标的传统输入方式，实现人的身体与虚拟环境手、眼、行相协调的自然交互；突破时空局限，体验者可以沉浸在历史或未来、宏观或微观的逼真虚拟环境中。

虚拟现实技术正在对人类社会产生重大影响。许多科技机构和专家认为，虚拟现实是继个人电脑、智能手机之后的新一代计算平台，是互联网未来的新入口，将成为人类认识世界、体验世界和改造世界的新手段。

为人类生产带来新模态，为人类生活带来新体验

上世纪60年代，虚拟现实的概念开始提出。八九十年代，虚拟现实应用于军事、制造、医疗等行业，取得令人瞩目的成绩。经过多年发展，虚拟现实新技术开始进入大众消费领域，给人们带来全新体验，在大众消费市场，“虚拟现实+”成为发展趋势。

军事是应用虚拟现实比较早的一个领域。80年代初，一些国家的军队开始采用虚拟现实技术构建虚拟战场环境，用于军事训练。现在虚拟现实技术已全面应用于一些国家各军兵种及联合作战训练、规划、预演和决策。进入21世纪，行动更复杂、节奏更快速、空间更广阔的未来战争对虚拟现实技术提出了更新更高的需求。

虚拟现实技术应用于装备制造，产生了许多新的制造技术，如沉浸式设计、虚拟样机与评价、虚拟组装、增强现实装拆导引以及操作维护培训等。近年来兴起的数字孪生技术将虚拟现实应用场景扩展到装备设计、样机、生产、装配、销售、培训、运维等环节，全面提升生产和管理效率。

医疗健康是虚拟现实技术的重要应用领域。90年代出现点位式数字人体和虚拟人体器官。虚拟人体为医药研究提供全新实验平台，并在临床治疗方面为手术规划、预演、优选提供前所未有的支持手段。

文化教育也是目前虚拟现实应用比较广泛的一个领域。采用虚拟现实技术可以构建各种教学场景，如微观世界的分子、原子，宇观世界的太空、太阳系，以及人体三维器官、重大历史事件场景等，从而大幅提升学习体验和效率。此外，虚拟现实图书将传统纸质图书内容动态、立体化地呈现给读者，提升了图书阅读的沉浸感和理解效果，对阅读、教学方式产生重要影响。

虚拟现实应用于电子商务，将商品的二维图片展示发展为更具真实感的三维全貌呈现，消费者甚至可以通过手机或电脑感受试戴、试穿、试用效果。正在发展中的其他应用还有虚拟现实+建筑、虚拟现实+文旅和智慧城市等。可以看到，这些应用拓展了人类的感知效能，改变了行业的产品形态和服务模式，推动行业实现升级换代式的发展。

总之，虚拟现实的发展为人类生产带来新模态，为人类生活带来新体验，同时形成具有发展前景的新型产业。

突破数据传输瓶颈，迎来长足发展

随着5G技术的普及，虚拟现实将突破数据传输瓶颈，迎来快速发展：系统深度更加逼真、交互高度更加自然、与人工智能技术深度融合。

目前，虚拟现实的逼真性主要体现在对象的形态和外观，物理特征局限在运动学和动力学范围。深度逼真将使对象物体的其他物理特征如弹塑性、材料属性以及生命体对象的生理生化特征有更加丰富的体现。

交互性是虚拟现实的基本特征，交互的高度自然化是必然趋势。首先，计算机系统将对用户完全透明，人与其虚拟现实应用环境的自然交互将取代通过键盘鼠标的人机交互；二是头戴式显示设备进一步向高清、舒适、轻量化发展，头戴式显示设备的眩晕感逐步减轻，眼动跟踪等也会使交互更加自然；三是AR眼镜逐步取代屏幕显示；四是虚拟现实的触觉识、辨别技术，虚拟现实柔韧感和温湿感技术得到应用，出现更多个性化的交互设备器具。

未来，人工智能技术将深度融入虚拟现实系统。一方面将带来虚拟环境中虚拟对象与交互的智能化，VR主播、VR助教、VR护理等将更加逼真；另一方面是虚拟现实内容研发与生产将更加智能化和自动化，大众喜闻乐见的VR新闻、VR影视、VR游戏将更加丰富。

数字孪生是虚拟现实应用的深化发展。数字孪生应用使得物联网连接对象扩展为实物及其虚拟孪生，将实物对象空间与虚拟对象空间联通，形成虚实混合空间。物联网也将发展成为新一代的数字孪生网，从而大幅度提升各行业的生产运行效率，产生巨大经济和社会效益。

丰富的数据源、广阔的行业应用与巨大的消费需求，是我国虚拟现实产业发展的独特优势。与此同时，我们在源头技术原始创新、软硬件基础平台建设、专用设备研发、标准化推进等方面还有很大的提升空间。“十四五”期间是我国虚拟现实产业走向集约优化的关键时期，期待虚拟现实技术迎来长足发展，为我们的生活带来更多精彩。

（作者为北京航空航天大学教授、中国工程院院士）

推荐书目：

1.《实时三维图形技术》：赵沁平等著；科学出版社出版。

2.《虚拟现实的10堂课》：庞国锋等编著；电子工业出版社出版。

3.《增强现实技术导论》：王涌天等著；科学出版社出版。