觀點(diǎn)趙沁平：“虛擬現(xiàn)實(shí)+”進(jìn)入發(fā)展期

趙沁平中國工程院院士、中國科協(xié)副主席、教育部教育信息化專家組組長

“虛擬現(xiàn)實(shí)+”是各個行業(yè)都可以應(yīng)用的，包括我們的教育。虛擬現(xiàn)實(shí)是二三十年以前就出現(xiàn)的一個技術(shù)，最近一兩年比較火，虛擬現(xiàn)實(shí)近兩年火起來的原因是由幾個事件激發(fā)引起。一，2013年美國政府和歐盟相繼宣布實(shí)施“腦計(jì)劃”，欲構(gòu)建人腦模型和虛擬人腦，我國也在制定我們國家的腦計(jì)劃；二，2014年，F(xiàn)acebook公司宣布斥資20億美元收購虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備公司 Oculus，隨后google、微軟等大公司接連推出自己的VR頭盔顯示器，高調(diào)宣布進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域。這意味著發(fā)達(dá)國家政府和大公司從不同的兩條戰(zhàn)線開始搶占 VR 制高點(diǎn)，再次引起了人們對 VR 技術(shù)的關(guān)注。

“虛擬現(xiàn)實(shí)+”成為發(fā)展趨勢

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在不是偶然，它是一個發(fā)展的過程。一方面，計(jì)算技術(shù)進(jìn)入人機(jī)物三元融合發(fā)展期，VR 思維與方法成為人機(jī)物三元融合的重要支撐；另一方面，VR技術(shù)本身也開始進(jìn)入 VR+ 發(fā)展期，方便推動促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展；另外， +X ，各行業(yè)對VR系統(tǒng)新功能與新指標(biāo)的需求，推動它產(chǎn)生一些實(shí)用功能。VR+X 的交叉合作，即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和其它各行業(yè)的合作，也有利于推動它的發(fā)展，一些虛擬現(xiàn)實(shí)和一些相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)，比如體感交互、VR交互設(shè)備、移動終端和網(wǎng)絡(luò)新應(yīng)用等，都對VR技術(shù)的發(fā)展起到推動作用。

虛擬現(xiàn)實(shí)是通過一些設(shè)備、裝備進(jìn)行交互，來產(chǎn)生的感受和體驗(yàn)，每一項(xiàng)都有它適合的領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)平臺主要適合前期的規(guī)劃決策、設(shè)計(jì)評價、訓(xùn)練體驗(yàn)、文化教育等方面的應(yīng)用。

經(jīng)過三十多年的發(fā)展，VR的基本概念和基本實(shí)現(xiàn)方法已初步形成，并在許多行業(yè)領(lǐng)域取得可喜的應(yīng)用成果，成為其發(fā)展的新的信息技術(shù)支撐平臺。VR與+X（應(yīng)用領(lǐng)域）的關(guān)系，類似于數(shù)學(xué)和物理， VR+成為發(fā)展趨勢。

對此，各個國家都很重視。比如，2006年，中國政府發(fā)布中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為信息領(lǐng)域優(yōu)先支持的三大前沿技術(shù)之一。2007年，日本政府發(fā)布創(chuàng)新2025科技發(fā)展規(guī)劃：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為十八個方向之一。2008年，美國工程院公布人類21世紀(jì)面臨的14個重大工程挑戰(zhàn)問題，虛擬現(xiàn)實(shí)是其中之一。2012年，英國發(fā)布2015—2020年8個新興科學(xué)技術(shù)群戰(zhàn)略報(bào)告中6個涉及建模、模擬和虛擬的內(nèi)容。

重要技術(shù)瓶頸有待突破

“虛擬現(xiàn)實(shí)+”已經(jīng)做到什么程度呢？

VR創(chuàng)建的戰(zhàn)斗機(jī)

虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)

許多新技術(shù)都是在軍事領(lǐng)域開始應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也一樣。上世紀(jì)八十年代，美國開始投入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研發(fā)，首先應(yīng)用于軍方，用于虛擬戰(zhàn)場環(huán)境。之后應(yīng)用于醫(yī)學(xué)（虛擬手術(shù)）、制造業(yè)（虛擬樣機(jī)）等。

虛擬技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，國內(nèi)不少學(xué)校部署了虛擬校園，另外，一些學(xué)校部署了虛擬教學(xué)平臺，虛擬課堂等。目前的重點(diǎn)主要在虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)方面。比如，化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)、工程力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)、幾何光學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)。具體來講，在虛擬教學(xué)中，可以面向工科學(xué)生進(jìn)行讀圖訓(xùn)練；實(shí)現(xiàn)真實(shí)感教學(xué)演示，如晶體分子結(jié)構(gòu)演示、晶體管原理演示、計(jì)算機(jī)集成制造演示等，能形象地展示它的效果。

然而，現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)距離 VR+ 期望目標(biāo)，尚存在若干重大技術(shù)瓶頸，主要有如下幾方面。

第一，多源數(shù)據(jù)或者說多源數(shù)據(jù)建立的模型，相互之間的無縫融合困難，這是一個難題；

第二，對象模型不能自由交互與變拓?fù)鋵?shí)時逼真響應(yīng)；

第三，現(xiàn)在大多數(shù)模型都是幾何的物理的，缺少非幾何物理的生理與智能模型；

第四，模型的復(fù)雜性、可建模性和可信性理論有待突破；

第五，有限帶寬和低計(jì)算資源下的圖形圖像處理低效；

第六，真三維顯示、人機(jī)體感交互與自然化人機(jī)交互設(shè)備不如人意，這方面要有很長的路還要走。

另外，相關(guān)技術(shù)和一些應(yīng)用，和虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展形成了互動，互相推動發(fā)展。比如，真三維的顯示、可穿戴設(shè)備、體感交互和移動終端的應(yīng)用、新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，以及人體科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，都對虛擬現(xiàn)實(shí)會有推動和促進(jìn)的作用。

相關(guān)技術(shù)和新型應(yīng)用與虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展形成互動，對虛擬現(xiàn)實(shí)提出新需求，為虛擬現(xiàn)實(shí)提供新元素。比如，新型虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備，如全息、光塑顯示；可穿戴設(shè)備與體感交互；移動終端應(yīng)用；新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；大數(shù)據(jù)應(yīng)用；人體科學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)可望形成

上述技術(shù)的突破將導(dǎo)致 VR+ 新一代虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的出現(xiàn)，并逐步形成如下新的 VR 產(chǎn)業(yè)。

第一，虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互設(shè)備產(chǎn)業(yè)，比如網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)需要一定的交互設(shè)備，鼠標(biāo)、三維鼠標(biāo)都是其中的一種類型，而且還會產(chǎn)生新的可以創(chuàng)新的領(lǐng)域，形成人機(jī)交互的交互設(shè)備產(chǎn)業(yè)；

第二，行業(yè)應(yīng)用模擬器、虛擬環(huán)境產(chǎn)業(yè)，比如飛行模擬器、手術(shù)模擬器、軍事訓(xùn)練，以及虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，都是行業(yè)應(yīng)用；

第三，虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域和行業(yè)模型數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)，比如美國有專門的人體器官虛擬模型系統(tǒng)；

第四，網(wǎng)絡(luò)、移動終端虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)；

第五，虛擬現(xiàn)實(shí)平臺軟件與嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)

第六，虛擬現(xiàn)實(shí)服務(wù)產(chǎn)業(yè)。

相信今后將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域，也會形成它自己的一些產(chǎn)業(yè)。所以，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前還是有很大發(fā)展前景的，是朝陽的技術(shù)領(lǐng)域。未來在航空航天、軍事應(yīng)用、智慧城市、裝備制造、醫(yī)療健康、移動與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等方面都將是VR+ 重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域。

（本文整理自中國工程院院士、中國科協(xié)副主席、教育部教育信息化專家組組長趙沁平關(guān)于“虛擬現(xiàn)實(shí)+”的主題報(bào)告）