虛擬現(xiàn)實(shí)概念持續(xù)火熱，隨著技術(shù)的不斷成熟，VR在現(xiàn)實(shí)生活中也被運(yùn)用到更多的領(lǐng)域。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)在娛樂(lè)、游戲、體育等領(lǐng)域的運(yùn)用已經(jīng)越來(lái)越豐富，但是普及率不高。VR要想走得更遠(yuǎn)有一段路要走，究竟虛擬現(xiàn)實(shí)還有哪些科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題需要解決呢?

　　問(wèn)題一：可建模、模型復(fù)雜性與模型可信性

　　是否現(xiàn)實(shí)世界的所有事物都是可以模型化的，或者說(shuō)可以數(shù)字化建模的?這個(gè)問(wèn)題與可計(jì)算性和模型的復(fù)雜性有關(guān)，與模型逼近現(xiàn)實(shí)的期望程度也有關(guān)。例如，完全真實(shí)的海浪是難以建模的，但簡(jiǎn)化的概念性海浪模型是可以建立的;完全符合現(xiàn)實(shí)的氣象模型是難以建立的，但是簡(jiǎn)化的氣象模型總是可以建立的。問(wèn)題在于簡(jiǎn)化以后的模型在多大程度上還可用、可信。因此，可建模、模型復(fù)雜性、模型簡(jiǎn)化與模型可信性的評(píng)價(jià)、度量，以及我們應(yīng)該如何平衡可建模性和對(duì)模型的期望值等是需要研究的重要理論問(wèn)題。

　　問(wèn)題二：圖像的相似性測(cè)度與圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

　　圖像相似性是模型相似性問(wèn)題的一個(gè)典型代表，是圖像識(shí)別、圖像檢索等領(lǐng)域的一個(gè)基本問(wèn)題，也是VR中的重要問(wèn)題。比較兩張圖像的相似性程度，或者評(píng)價(jià)一張圖像的失真程度對(duì)人來(lái)說(shuō)并不太難，但對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是一個(gè)至今沒(méi)有很好解決的問(wèn)題。原因之一就在于難以找到通用有效的圖像相似性定量測(cè)度。與此相關(guān)，是否可以找到一種評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量(與現(xiàn)實(shí)圖像近似程度)的客觀定量方法也是尚待解決的問(wèn)題。

　　問(wèn)題三：復(fù)雜逼真虛擬環(huán)境的構(gòu)造與海量數(shù)據(jù)管理

　　目前虛擬環(huán)境的構(gòu)造方法有數(shù)學(xué)建模和復(fù)制現(xiàn)實(shí)兩大類(lèi)，它們具有各自的優(yōu)點(diǎn)和固有的局限，一般來(lái)說(shuō)，前者三維特性突出，后者逼真程度高。隨著VR應(yīng)用的不斷深化，對(duì)虛擬環(huán)境復(fù)雜性和逼真性的要求也越來(lái)越高。解決這一問(wèn)題是VR建模研究重要任務(wù)。這一方面有賴(lài)計(jì)算機(jī)及專(zhuān)用處理部件性能的進(jìn)一步提高;研制精度、效率更高、甚至智能化的復(fù)制設(shè)備;開(kāi)發(fā)更完善、自動(dòng)化程度更高的建模工具;同時(shí)，尋找盡可能結(jié)合上述兩類(lèi)方法、體現(xiàn)兩類(lèi)方法優(yōu)點(diǎn)的虛擬環(huán)境構(gòu)造方法也是解決這一問(wèn)題的一條途徑。

　　復(fù)雜逼真虛擬環(huán)境擁有集中或分布存儲(chǔ)的海量數(shù)據(jù)，這些海量數(shù)據(jù)的有效調(diào)度、檢索和維護(hù)是具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

　　問(wèn)題四：虛擬實(shí)體的物理與行為建模

　　虛擬實(shí)體的建模涉及幾何、物理特性和行為等幾個(gè)方面。幾何建模，無(wú)論是理論、方法研究還是建模工具開(kāi)發(fā)，由于起步時(shí)間較早，問(wèn)題難度相對(duì)較低，因此比較成熟。物理特性建模，目前主要集中在虛擬實(shí)體的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，如果要進(jìn)一步提高逼真度，就必須考慮虛擬實(shí)體的材料、摩擦力、彈塑性和粘稠性等物理特性。物理特性的計(jì)算模型、高效算法以及有效的表現(xiàn)方式和方法是需要研究解決的三大問(wèn)題。由于人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的無(wú)限性，因此可以說(shuō)物理特性建模是VR領(lǐng)域中的一個(gè)永恒的方向。

　　在行為建模方面，計(jì)算機(jī)生成實(shí)體及其形成的聚合類(lèi)實(shí)體是重要的研究?jī)?nèi)容。聚合類(lèi)實(shí)體突出了集團(tuán)性實(shí)體的共性和集團(tuán)功能，減少了虛擬實(shí)體的開(kāi)發(fā)量和復(fù)雜性。虛擬實(shí)體行為建模的核心問(wèn)題是人工智能問(wèn)題。雖然目前人工智能研究進(jìn)展艱難，但是由于目前虛擬實(shí)體行為建模引入和借鑒人工智能研究成果的程度還比較低，因此如果能將人工智能已有的研究成果創(chuàng)造性地應(yīng)用于虛擬實(shí)體行為建模，無(wú)疑會(huì)有效提高虛擬實(shí)體行為的智能水平。

　　問(wèn)題五：虛擬景物和真實(shí)景物的融合

　　虛擬景物和真實(shí)景物的融合，包括在動(dòng)、靜態(tài)真實(shí)場(chǎng)景畫(huà)面中融入虛擬景物和在虛擬環(huán)境中融入動(dòng)、靜態(tài)真實(shí)景物。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究目標(biāo)就是要解決這一問(wèn)題。這一方向有數(shù)據(jù)融合、模型融合等許多理論問(wèn)題和虛實(shí)景物的準(zhǔn)確三維注冊(cè)、虛實(shí)景物的空間遮擋關(guān)系、虛實(shí)光照效果的融合處理等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要突破，一系列專(zhuān)門(mén)工具和支撐平臺(tái)也有待開(kāi)發(fā)。

　　問(wèn)題六：人機(jī)交互的機(jī)制與沉浸感

　　用戶(hù)對(duì)虛擬環(huán)境體驗(yàn)全過(guò)程中的操作、信息發(fā)布、信息獲取與傳遞等要與在真實(shí)環(huán)境中的感覺(jué)相似，也就是具有沉浸感，這與人機(jī)交互的機(jī)制密切相關(guān)。人機(jī)交互機(jī)制涉及人機(jī)交互方式、人機(jī)交互設(shè)備和人機(jī)交互信息處理等幾個(gè)方面。人機(jī)交互的自然化和智能化是這一領(lǐng)域追求的目標(biāo)。今后的發(fā)展，一是提高現(xiàn)有人機(jī)設(shè)備的有效性、精確性;二是增加用戶(hù)交互的移動(dòng)性，使人機(jī)交互更為適人化，如借助可穿戴計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理與虛實(shí)融合環(huán)境交互;三是探索基于新概念的人機(jī)交互設(shè)備，如基于全息信息的立體顯示等;四是提高人機(jī)交互的智能水平，如機(jī)器的識(shí)別理解等。這些問(wèn)題研究的突破將進(jìn)一步提高人機(jī)交互的自然化和沉浸感。

　　人機(jī)交互的沉浸感與虛擬環(huán)境的逼真性和實(shí)時(shí)性密切相關(guān)，這類(lèi)似于算法的時(shí)間和空間效率，具有一定的對(duì)偶性，或者說(shuō)兩者測(cè)度的乘積在一定水平就是一個(gè)常量。這時(shí)就需要根據(jù)實(shí)際需求對(duì)兩者進(jìn)行權(quán)衡。

　　問(wèn)題七：分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)性與一致性

　　從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的角度來(lái)說(shuō)，分布式VR有基于高速專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)和基于Internet網(wǎng)兩類(lèi)。前者一般用于軍事仿真訓(xùn)練和演練等大規(guī)模專(zhuān)門(mén)性質(zhì)的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，后者適合于個(gè)人性質(zhì)的隨機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，如遠(yuǎn)程教育、娛樂(lè)等。兩者面臨的問(wèn)題有所不同，但共同的問(wèn)題是分布式VR的實(shí)時(shí)性和分布式虛擬環(huán)境中的時(shí)間一致性、事件一致性和空間一致性。產(chǎn)生時(shí)間和事件一致性問(wèn)題的根本原因是網(wǎng)絡(luò)所固有的、長(zhǎng)度隨機(jī)的時(shí)間延遲。這一問(wèn)題能否徹底解決尚無(wú)明確答案。空間一致性問(wèn)題，主要是對(duì)諸如動(dòng)態(tài)地形變化等空間改變的一致性維護(hù)。對(duì)這些問(wèn)題提出了一些不同的解決方案，但仍需進(jìn)一步研究、實(shí)驗(yàn)和分析。

　　問(wèn)題八：VR應(yīng)用系統(tǒng)的可組裝構(gòu)建和VR平臺(tái)的開(kāi)發(fā)策略

　　通過(guò)積木化可重用部件組裝、構(gòu)建VR應(yīng)用系統(tǒng)是提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率和系統(tǒng)可靠性的一種途徑。為此關(guān)于可組裝、可重用軟件的理論，以及可重用部件、可組裝體系結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化接口等是需要深入研究的問(wèn)題。

　　將不同領(lǐng)域VR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用所需要的公共服務(wù)和不同VR系統(tǒng)的共性部分盡可能抽象出來(lái)，建立公共服務(wù)平臺(tái)、工具給予支撐，是提高分布式VR應(yīng)用系統(tǒng)的可重用性和開(kāi)發(fā)效率的有效途徑。這些平臺(tái)、工具涉及VR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、應(yīng)用的各個(gè)階段和全生命周期，涉及不同類(lèi)型的系統(tǒng)用戶(hù)，種類(lèi)繁多。需要選擇確定先進(jìn)的開(kāi)發(fā)策略、方法和框架，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型開(kāi)發(fā)支撐平臺(tái)，如圖形平臺(tái)、RTI等。

　　問(wèn)題九：VR系統(tǒng)性能和VR應(yīng)用結(jié)果的評(píng)價(jià)

　　針對(duì)VR系統(tǒng)的各種性能，如逼真性、交互性、實(shí)時(shí)性，特別是VR系統(tǒng)應(yīng)用的可信度等，建立合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定合適的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，是推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用推廣的重要因素。目前這方面的研究相對(duì)較少，問(wèn)題本身也具有難度，大多數(shù)性能難以定量描述。由于VR科學(xué)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的需要，應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體VR技術(shù)的開(kāi)發(fā)，盡快開(kāi)展這一方向的研究。

　　在研究開(kāi)發(fā)VR應(yīng)用系統(tǒng)的同時(shí)，也需要開(kāi)展對(duì)各種VR系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果評(píng)價(jià)方法的研究，開(kāi)發(fā)支持各種應(yīng)用指標(biāo)的評(píng)價(jià)工具。合理的應(yīng)用指標(biāo)與結(jié)果評(píng)價(jià)度量方法將有助于更好地開(kāi)發(fā)滿足需求的VR應(yīng)用系統(tǒng)，并在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)早期及時(shí)預(yù)測(cè)和控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

　　總結(jié)

　　過(guò)去的十年，VR在理論研究、技術(shù)創(chuàng)新、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用推廣方面都取得重要進(jìn)展，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景，我國(guó)在這一科技領(lǐng)域也進(jìn)入了發(fā)展的新階段，VR技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)信息科學(xué)技術(shù)發(fā)展的國(guó)家目標(biāo)。同時(shí)VR研究領(lǐng)域仍然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，這些問(wèn)題的突破會(huì)導(dǎo)致VR技術(shù)的更大發(fā)展。

　　今后的十年將是這些問(wèn)題逐步解決和突破的十年，也將是VR在我國(guó)推廣應(yīng)用，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益的十年。VR是一個(gè)充滿活力和挑戰(zhàn)的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。