【深度】走進現實 VR商業化還需跨過這九道坎

　　虛擬現實概念持續火熱，隨著技術的不斷成熟，VR在現實生活中也被運用到更多的領域。目前，虛擬現實在娛樂、游戲、體育等領域的運用已經越來越豐富，但是普及率不高。VR要想走得更遠有一段路要走，究竟虛擬現實還有哪些科學與技術問題需要解決呢?

　　問題一：可建模、模型復雜性與模型可信性

　　是否現實世界的所有事物都是可以模型化的，或者說可以數字化建模的?這個問題與可計算性和模型的復雜性有關，與模型逼近現實的期望程度也有關。例如，完全真實的海浪是難以建模的，但簡化的概念性海浪模型是可以建立的;完全符合現實的氣象模型是難以建立的，但是簡化的氣象模型總是可以建立的。問題在于簡化以后的模型在多大程度上還可用、可信。因此，可建模、模型復雜性、模型簡化與模型可信性的評價、度量，以及我們應該如何平衡可建模性和對模型的期望值等是需要研究的重要理論問題。

　　問題二：圖像的相似性測度與圖像質量評價

　　圖像相似性是模型相似性問題的一個典型代表，是圖像識別、圖像檢索等領域的一個基本問題，也是VR中的重要問題。比較兩張圖像的相似性程度，或者評價一張圖像的失真程度對人來說并不太難，但對計算機來說是一個至今沒有很好解決的問題。原因之一就在于難以找到通用有效的圖像相似性定量測度。與此相關，是否可以找到一種評價圖像質量(與現實圖像近似程度)的客觀定量方法也是尚待解決的問題。

　　問題三：復雜逼真虛擬環境的構造與海量數據管理

　　目前虛擬環境的構造方法有數學建模和復制現實兩大類，它們具有各自的優點和固有的局限，一般來說，前者三維特性突出，后者逼真程度高。隨著VR應用的不斷深化，對虛擬環境復雜性和逼真性的要求也越來越高。解決這一問題是VR建模研究重要任務。這一方面有賴計算機及專用處理部件性能的進一步提高;研制精度、效率更高、甚至智能化的復制設備;開發更完善、自動化程度更高的建模工具;同時，尋找盡可能結合上述兩類方法、體現兩類方法優點的虛擬環境構造方法也是解決這一問題的一條途徑。

　　復雜逼真虛擬環境擁有集中或分布存儲的海量數據，這些海量數據的有效調度、檢索和維護是具有挑戰性的問題。

　　問題四：虛擬實體的物理與行為建模

　　虛擬實體的建模涉及幾何、物理特性和行為等幾個方面。幾何建模，無論是理論、方法研究還是建模工具開發，由于起步時間較早，問題難度相對較低，因此比較成熟。物理特性建模，目前主要集中在虛擬實體的運動學和動力學特性，如果要進一步提高逼真度，就必須考慮虛擬實體的材料、摩擦力、彈塑性和粘稠性等物理特性。物理特性的計算模型、高效算法以及有效的表現方式和方法是需要研究解決的三大問題。由于人類認識世界的無限性，因此可以說物理特性建模是VR領域中的一個永恒的方向。

　　在行為建模方面，計算機生成實體及其形成的聚合類實體是重要的研究內容。聚合類實體突出了集團性實體的共性和集團功能，減少了虛擬實體的開發量和復雜性。虛擬實體行為建模的核心問題是人工智能問題。雖然目前人工智能研究進展艱難，但是由于目前虛擬實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造性地應用于虛擬實體行為建模，無疑會有效提高虛擬實體行為的智能水平。

　　問題五：虛擬景物和真實景物的融合

　　虛擬景物和真實景物的融合，包括在動、靜態真實場景畫面中融入虛擬景物和在虛擬環境中融入動、靜態真實景物。增強現實技術的研究目標就是要解決這一問題。這一方向有數據融合、模型融合等許多理論問題和虛實景物的準確三維注冊、虛實景物的空間遮擋關系、虛實光照效果的融合處理等關鍵技術問題需要突破，一系列專門工具和支撐平臺也有待開發。

　　問題六：人機交互的機制與沉浸感

　　用戶對虛擬環境體驗全過程中的操作、信息發布、信息獲取與傳遞等要與在真實環境中的感覺相似，也就是具有沉浸感，這與人機交互的機制密切相關。人機交互機制涉及人機交互方式、人機交互設備和人機交互信息處理等幾個方面。人機交互的自然化和智能化是這一領域追求的目標。今后的發展，一是提高現有人機設備的有效性、精確性;二是增加用戶交互的移動性，使人機交互更為適人化，如借助可穿戴計算機、個人數字助理與虛實融合環境交互;三是探索基于新概念的人機交互設備，如基于全息信息的立體顯示等;四是提高人機交互的智能水平，如機器的識別理解等。這些問題研究的突破將進一步提高人機交互的自然化和沉浸感。

　　人機交互的沉浸感與虛擬環境的逼真性和實時性密切相關，這類似于算法的時間和空間效率，具有一定的對偶性，或者說兩者測度的乘積在一定水平就是一個常量。這時就需要根據實際需求對兩者進行權衡。

　　問題七：分布式虛擬現實的實時性與一致性

　　從計算機網絡設施的角度來說，分布式VR有基于高速專用網絡和基于Internet網兩類。前者一般用于軍事仿真訓練和演練等大規模專門性質的虛擬現實應用，后者適合于個人性質的隨機的虛擬現實應用，如遠程教育、娛樂等。兩者面臨的問題有所不同，但共同的問題是分布式VR的實時性和分布式虛擬環境中的時間一致性、事件一致性和空間一致性。產生時間和事件一致性問題的根本原因是網絡所固有的、長度隨機的時間延遲。這一問題能否徹底解決尚無明確答案。空間一致性問題，主要是對諸如動態地形變化等空間改變的一致性維護。對這些問題提出了一些不同的解決方案，但仍需進一步研究、實驗和分析。

　　問題八：VR應用系統的可組裝構建和VR平臺的開發策略

　　通過積木化可重用部件組裝、構建VR應用系統是提高系統開發效率和系統可靠性的一種途徑。為此關于可組裝、可重用軟件的理論，以及可重用部件、可組裝體系結構、標準化接口等是需要深入研究的問題。

　　將不同領域VR系統開發與應用所需要的公共服務和不同VR系統的共性部分盡可能抽象出來，建立公共服務平臺、工具給予支撐，是提高分布式VR應用系統的可重用性和開發效率的有效途徑。這些平臺、工具涉及VR系統開發、應用的各個階段和全生命周期，涉及不同類型的系統用戶，種類繁多。需要選擇確定先進的開發策略、方法和框架，研制具有自主知識產權的大型開發支撐平臺，如圖形平臺、RTI等。

　　問題九：VR系統性能和VR應用結果的評價

　　針對VR系統的各種性能，如逼真性、交互性、實時性，特別是VR系統應用的可信度等，建立合理的評價指標，確定合適的評價標準，是推動虛擬現實技術進步和應用推廣的重要因素。目前這方面的研究相對較少，問題本身也具有難度，大多數性能難以定量描述。由于VR科學技術發展和應用的需要，應當結合具體VR技術的開發，盡快開展這一方向的研究。

　　在研究開發VR應用系統的同時，也需要開展對各種VR系統應用結果評價方法的研究，開發支持各種應用指標的評價工具。合理的應用指標與結果評價度量方法將有助于更好地開發滿足需求的VR應用系統，并在系統開發早期及時預測和控制系統的開發過程。

　　總結

　　過去的十年，VR在理論研究、技術創新、系統開發和應用推廣方面都取得重要進展，顯示出巨大的發展潛力和廣闊的應用前景，我國在這一科技領域也進入了發展的新階段，VR技術已經成為我國信息科學技術發展的國家目標。同時VR研究領域仍然存在大量有待解決的問題和難題，而且還在不斷產生新的理論和關鍵技術問題，這些問題的突破會導致VR技術的更大發展。

　　今后的十年將是這些問題逐步解決和突破的十年，也將是VR在我國推廣應用，產生巨大經濟、社會效益的十年。VR是一個充滿活力和挑戰的科學技術領域。