2013年以來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，簡稱VR)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，簡稱AR)設(shè)備(如頭戴式顯示器等)質(zhì)量迅速提升、價(jià)格大幅降低，VR開始普及化，從軍事、航空航天等高端行業(yè)應(yīng)用進(jìn)入大眾生活。在這樣的趨勢下，越來越多的科技公司將眼光投向VR，部署研發(fā)團(tuán)隊(duì)并推出自己的VR創(chuàng)新產(chǎn)品，展開搶占VR產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)的激烈競爭，使得VR技術(shù)進(jìn)入了前所未有的快速發(fā)展時(shí)期。
任何一項(xiàng)新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都需要有三方面的條件支撐，VR產(chǎn)業(yè)也不例外，這就是需要關(guān)鍵技術(shù)突破與科技創(chuàng)新的持續(xù)支持，各類VR人才的強(qiáng)大支撐，以及市場需求的不斷推動(dòng)，而市場的形成又有賴于VR應(yīng)用系統(tǒng)與內(nèi)容的不斷豐富與創(chuàng)新。
實(shí)現(xiàn)一個(gè)VR系統(tǒng)，大體需要四方面的技術(shù)：數(shù)據(jù)與獲取、分析與建模、繪制與表現(xiàn)，以及傳感與交互。這四個(gè)方面均涉及硬件平臺(tái)與裝置、核心芯片與器件、軟件平臺(tái)與工具和軟硬標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。同時(shí)VR應(yīng)用也需要結(jié)合各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)，因此VR是學(xué)科高度綜合交叉的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，是存在許多有待解決的科學(xué)技術(shù)問題、并不斷產(chǎn)生新科學(xué)技術(shù)問題的充滿活力的新興領(lǐng)域。
2009年我根據(jù)自己多年從事VR技術(shù)研究的體會(huì)，歸納總結(jié)了當(dāng)時(shí)VR中的10個(gè)科學(xué)問題，并于2011年發(fā)表于Communicationsof the ACM.現(xiàn)在回頭來看，這些問題的提出，在一些方面推動(dòng)了VR技術(shù)的研究，其中有的在一定程度上有所突破，有的進(jìn)展不明顯，有的則被更為迫切的問題所掩蓋，這體現(xiàn)了VR技術(shù)領(lǐng)域的活躍性。 根據(jù)本人對近年來VR技術(shù)的發(fā)展趨勢、VR應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展所遇到的技術(shù)瓶頸的認(rèn)識(shí)，以及本人新的研究體會(huì)，在本文提出當(dāng)前VR科學(xué)技術(shù)中新的10個(gè)科學(xué)技術(shù)問題。這些技術(shù)的突破會(huì)導(dǎo)致VR應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)的新的巨大進(jìn)展。
1.VR頭戴顯示的輸入與交互
現(xiàn)有VR頭戴式顯示器看不到體驗(yàn)者自身，輸入不便，也缺少與景物的交互機(jī)制，身臨其境的感覺受限。因此，VR鼠標(biāo)等便捷友好的VR輸入方式，能夠?qū)崟r(shí)逼真地表現(xiàn)體驗(yàn)者肢體、并能與虛擬場景對象實(shí)時(shí)交互的機(jī)制是需要研究的問題。
2.頭戴式顯示的空間計(jì)算與AR虛實(shí)融合及其室外化
頭戴式顯示虛擬場景的空間計(jì)算，包括體驗(yàn)者頭部和位置的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)跟蹤定位，以及AR頭戴顯示中虛擬對象在現(xiàn)實(shí)空間中的位置計(jì)算與實(shí)時(shí)表現(xiàn)是需要進(jìn)一步研究的問題。與此相關(guān)，虛實(shí)融合是AR的基本問題之一，包括視頻式AR顯示中圖形對象與視頻圖像的融合，以及光學(xué)透視式AR顯示中圖形對象與現(xiàn)實(shí)景物的融合。前者研究的時(shí)間比較長，后者隨著光學(xué)AR頭戴顯示的實(shí)用化，逐步成為這一方向的主流，許多問題有待解決。同時(shí)，光學(xué)透視式AR的室外化，包括室外大場景下的虛實(shí)融合是有待探索的一個(gè)方向。
3.VR視頻的采集、制作與交互式播放
VR全景視頻(包括基于桌面、移動(dòng)終端或Web的VR視頻)的采集、制作、交互式播放技術(shù)與設(shè)備，以及跨平臺(tái)VR視頻播放器，是一個(gè)研究發(fā)展方向。如何在VR視頻中引入幾何與控制元素，增加VR視頻的交互類型，提高其交互性是值得研究的問題。
4.基于移動(dòng)終端和互聯(lián)網(wǎng)的VR
基于移動(dòng)終端和互聯(lián)網(wǎng)的VR具有巨大發(fā)展?jié)摿Ατ谇罢撸陀?jì)算、低存儲(chǔ)VR技術(shù)，云計(jì)算VR技術(shù)，低延遲大數(shù)據(jù)傳輸與新型交互等是可創(chuàng)新技術(shù)方向。后者需要全屏3D繪制、VR設(shè)備接入與更合適的人機(jī)交互機(jī)制，以及新型瀏覽器標(biāo)準(zhǔn)。Web VR將對現(xiàn)有瀏覽器和郵件系統(tǒng)等帶來變革和顛覆性影響，成為互聯(lián)網(wǎng)的新入口。
5.物理特征的更多表現(xiàn)與新型物理模型
目前，虛擬對象的物理表現(xiàn)及其物理模型研究主要集中在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面。物理模型也只有粒子系統(tǒng)、彈簧模型、SPH(smoothed particle hydrodynamics)方法等少數(shù)幾個(gè)。物質(zhì)的許多物理特征(如材料特征)，爆炸、切割等物理現(xiàn)象，柔、黏、塑、流、氣、場等物質(zhì)對象的物理特征與交互響應(yīng)的實(shí)時(shí)逼真表現(xiàn)，存在許多理論問題。由于物理模型計(jì)算量巨大，因此具體應(yīng)用時(shí)實(shí)時(shí)性和逼真性之間的平衡也是需要考慮的問題。提出表現(xiàn)某類物理特征和物理現(xiàn)象的新型物理模型，構(gòu)造其物理引擎及核心算法芯片PPU(physics processing unit)，可以帶來原創(chuàng)性、平臺(tái)工具性成果。
6.進(jìn)化演化模型與虛擬孿生
基于化學(xué)、生物學(xué)和生命科學(xué)的人體器官的生理、化學(xué)、生物進(jìn)化演化模型是有待深入研究的科學(xué)問題，可能產(chǎn)生新的知識(shí)型、概率型等模型類型。現(xiàn)實(shí)世界中的每一個(gè)(類)對象，均可以構(gòu)建虛擬孿生，使其與現(xiàn)實(shí)孿生在幾何、物理、生理，以及進(jìn)化演化等方面高度相似。人體、城市和復(fù)雜裝備的虛擬孿生會(huì)成為未來發(fā)展的重點(diǎn)，并對醫(yī)療健康、城市規(guī)劃管理和裝備設(shè)計(jì)維護(hù)領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響。構(gòu)造虛擬孿生，特別是可交互幾何類虛擬孿生的理論與方法，既是VR，也是AR，MR(mixed reality,混合現(xiàn)實(shí))等的基礎(chǔ)。
7.智能行為模型
隨著VR應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，虛擬人(或計(jì)算機(jī)生成的人)操縱實(shí)體(如飛機(jī)、車輛等)成為VR系統(tǒng)的重要組成部分，這些智能體的行為使得VR系統(tǒng)所具有的3I(immersion,interaction，imagina-tion)特征向4I發(fā)展，即VR系統(tǒng)將具有更多的智能(intelligence)特征。該類問題的解決有賴于人工智能技術(shù)和人腦科學(xué)的發(fā)展。
8.力交互的柔韌感與新型自然交互
人與虛擬對象之間的力/觸覺逼真感知的方式、機(jī)制及其設(shè)備仍然存在大量的問題，特別是柔韌感;此外新的感知通道，如溫濕感、嗅/味覺等，有的剛起步，有的尚未涉足。這是一個(gè)需要多學(xué)科交叉研究解決的問題領(lǐng)域。
9.VR內(nèi)容的智能化生產(chǎn)技術(shù)與通用軟件開發(fā)工具
目前VR內(nèi)容制作生產(chǎn)力低下，原因一是VR建模、繪制、修補(bǔ)等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工具和開發(fā)平臺(tái)自動(dòng)化、智能化程度低，二是VR硬件不兼容，均采用各自的軟件開發(fā)工具包(software development kit,SDK)。提高3D建模(幾何、圖像、掃描等)的效率和空洞修補(bǔ)的自動(dòng)化水平等是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容，研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口和通用軟件包是提高共享和研發(fā)效率的必然途徑。
10.VR的逼真性度量與VR心理學(xué)、VR社會(huì)學(xué)
VR的逼真性，即虛擬與現(xiàn)實(shí)孿生的相似性測度是有待研究解決的一個(gè)理論問題。在此基礎(chǔ)上研究各類VR應(yīng)用的效果評(píng)價(jià)，特別是對人的心理影響，以及對人類社會(huì)帶來的影響，并進(jìn)行相關(guān)約束與法律研究也是必要的，這會(huì)形成新的人文學(xué)科研究方向。
上述是本人認(rèn)為VR領(lǐng)域當(dāng)前迫切需要研究解決的10個(gè)科學(xué)技術(shù)問題。實(shí)際上，VR研究與應(yīng)用領(lǐng)域中存在大量的科學(xué)技術(shù)問題。VR是一項(xiàng)可能的顛覆性技術(shù)，主要體現(xiàn)在六個(gè)方面：突破目前以2D為主的顯示，實(shí)現(xiàn)3D，以及未來的真三維顯示;突破目前屏幕物理尺寸的局限，實(shí)現(xiàn)全景顯示和交互體驗(yàn);突破鍵盤、鼠標(biāo)人機(jī)交互方式，實(shí)現(xiàn)手眼協(xié)調(diào)的人機(jī)自然交互;突破時(shí)空界限，把用戶帶入未來或過去的時(shí)空環(huán)境;取代現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)郵件系統(tǒng)為主的通訊交互方式，成為互聯(lián)網(wǎng)的新入口和人際交互新環(huán)境。有助于實(shí)現(xiàn)上述顛覆性的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)都應(yīng)該是VR技術(shù)研究者所追求的目標(biāo)。
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本文標(biāo)題：虛擬現(xiàn)實(shí)中的10個(gè)科學(xué)技術(shù)問題
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