制圖：蔡華偉
圖片來源：影像中國

通過模擬現實世界中的事物為生產生活服務，是人類實現進步的重要手段。古代兵馬俑、木牛流馬等實物仿真，工業時代的機電類仿真，信息時代的計算機數字仿真，將人類仿真水平不斷推向新的階段。隨著高性能計算、計算機圖形學、自然人機交互等技術的發展，虛擬現實（VirtualReality，簡稱VR）的出現，令人類仿真水平實現質的飛躍，達到新的境界。

以顛覆性技術帶來全新認知手段

虛擬現實是應用計算機技術，模擬出在視覺、聽覺、觸覺等方面與真實或構想環境高度近似的數字化環境。用戶借助頭盔顯示器、數據手套、運動捕獲裝置等必要設備，與數字化環境中的對象進行交互，產生親臨環境的感受和體驗。

廣義的虛擬現實還包括增強現實、混合現實和增強虛擬。增強現實是將計算機生成的數字化對象疊加在視頻圖像或現實環境之上，向用戶呈現出一種虛實結合的新環境；混合現實和增強現實類似，只是前者中的計算機生成對象與現實環境對象可區分，而后者難以區分。現在一般使用狹義的虛擬現實概念，即完全由計算機生成的虛擬對象和環境。

設計實現一個虛擬現實系統，需要數據采集、分析建模、繪制呈現、傳感交互等方面的技術。數據是構建虛擬現實系統的基礎。數據獲取設備有照相、攝像、3D激光掃描等通用型和CT、核磁等領域專用型兩大類。數據獲取的質量直接決定虛擬現實技術在各行業領域的應用效果。建模是現實世界中的對象在計算機中的數據表示，即利用數學、物理知識、各種數字化技術，將現實世界中的對象及其相互關系、相互作用及動態變化規律等，映射為數字空間中的數據表達。通過輸出設備，虛擬環境中的各種對象模型以視覺、聽覺、觸覺等形式綜合呈現，讓用戶有身臨其境之感。虛擬現實的自然交互則指人在虛擬環境中的操作，以及虛擬環境對人的多感知反饋。

虛擬現實是一項具有顛覆性的技術。它致力于突破二維顯示，實現三維呈現；突破固定屏幕，實現佩戴式自由觀看；突破鍵盤鼠標的傳統輸入方式，實現人的身體與虛擬環境手、眼、行相協調的自然交互；突破時空局限，體驗者可以沉浸在歷史或未來、宏觀或微觀的逼真虛擬環境中。

虛擬現實技術正在對人類社會產生重大影響。許多科技機構和專家認為，虛擬現實是繼個人電腦、智能手機之后的新一代計算平臺，是互聯網未來的新入口，將成為人類認識世界、體驗世界和改造世界的新手段。

為人類生產帶來新模態，為人類生活帶來新體驗

上世紀60年代，虛擬現實的概念開始提出。八九十年代，虛擬現實應用于軍事、制造、醫療等行業，取得令人矚目的成績。經過多年發展，虛擬現實新技術開始進入大眾消費領域，給人們帶來全新體驗，在大眾消費市場，“虛擬現實+”成為發展趨勢。

軍事是應用虛擬現實比較早的一個領域。80年代初，一些國家的軍隊開始采用虛擬現實技術構建虛擬戰場環境，用于軍事訓練。現在虛擬現實技術已全面應用于一些國家各軍兵種及聯合作戰訓練、規劃、預演和決策。進入21世紀，行動更復雜、節奏更快速、空間更廣闊的未來戰爭對虛擬現實技術提出了更新更高的需求。

虛擬現實技術應用于裝備制造，產生了許多新的制造技術，如沉浸式設計、虛擬樣機與評價、虛擬組裝、增強現實裝拆導引以及操作維護培訓等。近年來興起的數字孿生技術將虛擬現實應用場景擴展到裝備設計、樣機、生產、裝配、銷售、培訓、運維等環節，全面提升生產和管理效率。

醫療健康是虛擬現實技術的重要應用領域。90年代出現點位式數字人體和虛擬人體器官。虛擬人體為醫藥研究提供全新實驗平臺，并在臨床治療方面為手術規劃、預演、優選提供前所未有的支持手段。

文化教育也是目前虛擬現實應用比較廣泛的一個領域。采用虛擬現實技術可以構建各種教學場景，如微觀世界的分子、原子，宇觀世界的太空、太陽系，以及人體三維器官、重大歷史事件場景等，從而大幅提升學習體驗和效率。此外，虛擬現實圖書將傳統紙質圖書內容動態、立體化地呈現給讀者，提升了圖書閱讀的沉浸感和理解效果，對閱讀、教學方式產生重要影響。

虛擬現實應用于電子商務，將商品的二維圖片展示發展為更具真實感的三維全貌呈現，消費者甚至可以通過手機或電腦感受試戴、試穿、試用效果。正在發展中的其他應用還有虛擬現實+建筑、虛擬現實+文旅和智慧城市等。可以看到，這些應用拓展了人類的感知效能，改變了行業的產品形態和服務模式，推動行業實現升級換代式的發展。

總之，虛擬現實的發展為人類生產帶來新模態，為人類生活帶來新體驗，同時形成具有發展前景的新型產業。

突破數據傳輸瓶頸，迎來長足發展

隨著5G技術的普及，虛擬現實將突破數據傳輸瓶頸，迎來快速發展：系統深度更加逼真、交互高度更加自然、與人工智能技術深度融合。

目前，虛擬現實的逼真性主要體現在對象的形態和外觀，物理特征局限在運動學和動力學范圍。深度逼真將使對象物體的其他物理特征如彈塑性、材料屬性以及生命體對象的生理生化特征有更加豐富的體現。

交互性是虛擬現實的基本特征，交互的高度自然化是必然趨勢。首先，計算機系統將對用戶完全透明，人與其虛擬現實應用環境的自然交互將取代通過鍵盤鼠標的人機交互；二是頭戴式顯示設備進一步向高清、舒適、輕量化發展，頭戴式顯示設備的眩暈感逐步減輕，眼動跟蹤等也會使交互更加自然；三是AR眼鏡逐步取代屏幕顯示；四是虛擬現實的觸覺識、辨別技術，虛擬現實柔韌感和溫濕感技術得到應用，出現更多個性化的交互設備器具。

未來，人工智能技術將深度融入虛擬現實系統。一方面將帶來虛擬環境中虛擬對象與交互的智能化，VR主播、VR助教、VR護理等將更加逼真；另一方面是虛擬現實內容研發與生產將更加智能化和自動化，大眾喜聞樂見的VR新聞、VR影視、VR游戲將更加豐富。

數字孿生是虛擬現實應用的深化發展。數字孿生應用使得物聯網連接對象擴展為實物及其虛擬孿生，將實物對象空間與虛擬對象空間聯通，形成虛實混合空間。物聯網也將發展成為新一代的數字孿生網，從而大幅度提升各行業的生產運行效率，產生巨大經濟和社會效益。

豐富的數據源、廣闊的行業應用與巨大的消費需求，是我國虛擬現實產業發展的獨特優勢。與此同時，我們在源頭技術原始創新、軟硬件基礎平臺建設、專用設備研發、標準化推進等方面還有很大的提升空間。“十四五”期間是我國虛擬現實產業走向集約優化的關鍵時期，期待虛擬現實技術迎來長足發展，為我們的生活帶來更多精彩。

（作者為北京航空航天大學教授、中國工程院院士）

推薦書目：

1.《實時三維圖形技術》：趙沁平等著；科學出版社出版。

2.《虛擬現實的10堂課》：龐國鋒等編著；電子工業出版社出版。

3.《增強現實技術導論》：王涌天等著；科學出版社出版。