【深度】走进现实 VR商业化还需跨过这九道坎

　　虚拟现实概念持续火热，随着技术的不断成熟，VR在现实生活中也被运用到更多的领域。目前，虚拟现实在娱乐、游戏、体育等领域的运用已经越来越丰富，但是普及率不高。VR要想走得更远有一段路要走，究竟虚拟现实还有哪些科学与技术问题需要解决呢?

　　问题一：可建模、模型复杂性与模型可信性

　　是否现实世界的所有事物都是可以模型化的，或者说可以数字化建模的?这个问题与可计算性和模型的复杂性有关，与模型逼近现实的期望程度也有关。例如，完全真实的海浪是难以建模的，但简化的概念性海浪模型是可以建立的;完全符合现实的气象模型是难以建立的，但是简化的气象模型总是可以建立的。问题在于简化以后的模型在多大程度上还可用、可信。因此，可建模、模型复杂性、模型简化与模型可信性的评价、度量，以及我们应该如何平衡可建模性和对模型的期望值等是需要研究的重要理论问题。

　　问题二：图像的相似性测度与图像质量评价

　　图像相似性是模型相似性问题的一个典型代表，是图像识别、图像检索等领域的一个基本问题，也是VR中的重要问题。比较两张图像的相似性程度，或者评价一张图像的失真程度对人来说并不太难，但对计算机来说是一个至今没有很好解决的问题。原因之一就在于难以找到通用有效的图像相似性定量测度。与此相关，是否可以找到一种评价图像质量(与现实图像近似程度)的客观定量方法也是尚待解决的问题。

　　问题三：复杂逼真虚拟环境的构造与海量数据管理

　　目前虚拟环境的构造方法有数学建模和复制现实两大类，它们具有各自的优点和固有的局限，一般来说，前者三维特性突出，后者逼真程度高。随着VR应用的不断深化，对虚拟环境复杂性和逼真性的要求也越来越高。解决这一问题是VR建模研究重要任务。这一方面有赖计算机及专用处理部件性能的进一步提高;研制精度、效率更高、甚至智能化的复制设备;开发更完善、自动化程度更高的建模工具;同时，寻找尽可能结合上述两类方法、体现两类方法优点的虚拟环境构造方法也是解决这一问题的一条途径。

　　复杂逼真虚拟环境拥有集中或分布存储的海量数据，这些海量数据的有效调度、检索和维护是具有挑战性的问题。

　　问题四：虚拟实体的物理与行为建模

　　虚拟实体的建模涉及几何、物理特性和行为等几个方面。几何建模，无论是理论、方法研究还是建模工具开发，由于起步时间较早，问题难度相对较低，因此比较成熟。物理特性建模，目前主要集中在虚拟实体的运动学和动力学特性，如果要进一步提高逼真度，就必须考虑虚拟实体的材料、摩擦力、弹塑性和粘稠性等物理特性。物理特性的计算模型、高效算法以及有效的表现方式和方法是需要研究解决的三大问题。由于人类认识世界的无限性，因此可以说物理特性建模是VR领域中的一个永恒的方向。

　　在行为建模方面，计算机生成实体及其形成的聚合类实体是重要的研究内容。聚合类实体突出了集团性实体的共性和集团功能，减少了虚拟实体的开发量和复杂性。虚拟实体行为建模的核心问题是人工智能问题。虽然目前人工智能研究进展艰难，但是由于目前虚拟实体行为建模引入和借鉴人工智能研究成果的程度还比较低，因此如果能将人工智能已有的研究成果创造性地应用于虚拟实体行为建模，无疑会有效提高虚拟实体行为的智能水平。

　　问题五：虚拟景物和真实景物的融合

　　虚拟景物和真实景物的融合，包括在动、静态真实场景画面中融入虚拟景物和在虚拟环境中融入动、静态真实景物。增强现实技术的研究目标就是要解决这一问题。这一方向有数据融合、模型融合等许多理论问题和虚实景物的准确三维注册、虚实景物的空间遮挡关系、虚实光照效果的融合处理等关键技术问题需要突破，一系列专门工具和支撑平台也有待开发。

　　问题六：人机交互的机制与沉浸感

　　用户对虚拟环境体验全过程中的操作、信息发布、信息获取与传递等要与在真实环境中的感觉相似，也就是具有沉浸感，这与人机交互的机制密切相关。人机交互机制涉及人机交互方式、人机交互设备和人机交互信息处理等几个方面。人机交互的自然化和智能化是这一领域追求的目标。今后的发展，一是提高现有人机设备的有效性、精确性;二是增加用户交互的移动性，使人机交互更为适人化，如借助可穿戴计算机、个人数字助理与虚实融合环境交互;三是探索基于新概念的人机交互设备，如基于全息信息的立体显示等;四是提高人机交互的智能水平，如机器的识别理解等。这些问题研究的突破将进一步提高人机交互的自然化和沉浸感。

　　人机交互的沉浸感与虚拟环境的逼真性和实时性密切相关，这类似于算法的时间和空间效率，具有一定的对偶性，或者说两者测度的乘积在一定水平就是一个常量。这时就需要根据实际需求对两者进行权衡。

　　问题七：分布式虚拟现实的实时性与一致性

　　从计算机网络设施的角度来说，分布式VR有基于高速专用网络和基于Internet网两类。前者一般用于军事仿真训练和演练等大规模专门性质的虚拟现实应用，后者适合于个人性质的随机的虚拟现实应用，如远程教育、娱乐等。两者面临的问题有所不同，但共同的问题是分布式VR的实时性和分布式虚拟环境中的时间一致性、事件一致性和空间一致性。产生时间和事件一致性问题的根本原因是网络所固有的、长度随机的时间延迟。这一问题能否彻底解决尚无明确答案。空间一致性问题，主要是对诸如动态地形变化等空间改变的一致性维护。对这些问题提出了一些不同的解决方案，但仍需进一步研究、实验和分析。

　　问题八：VR应用系统的可组装构建和VR平台的开发策略

　　通过积木化可重用部件组装、构建VR应用系统是提高系统开发效率和系统可靠性的一种途径。为此关于可组装、可重用软件的理论，以及可重用部件、可组装体系结构、标准化接口等是需要深入研究的问题。

　　将不同领域VR系统开发与应用所需要的公共服务和不同VR系统的共性部分尽可能抽象出来，建立公共服务平台、工具给予支撑，是提高分布式VR应用系统的可重用性和开发效率的有效途径。这些平台、工具涉及VR系统开发、应用的各个阶段和全生命周期，涉及不同类型的系统用户，种类繁多。需要选择确定先进的开发策略、方法和框架，研制具有自主知识产权的大型开发支撑平台，如图形平台、RTI等。

　　问题九：VR系统性能和VR应用结果的评价

　　针对VR系统的各种性能，如逼真性、交互性、实时性，特别是VR系统应用的可信度等，建立合理的评价指标，确定合适的评价标准，是推动虚拟现实技术进步和应用推广的重要因素。目前这方面的研究相对较少，问题本身也具有难度，大多数性能难以定量描述。由于VR科学技术发展和应用的需要，应当结合具体VR技术的开发，尽快开展这一方向的研究。

　　在研究开发VR应用系统的同时，也需要开展对各种VR系统应用结果评价方法的研究，开发支持各种应用指标的评价工具。合理的应用指标与结果评价度量方法将有助于更好地开发满足需求的VR应用系统，并在系统开发早期及时预测和控制系统的开发过程。

　　总结

　　过去的十年，VR在理论研究、技术创新、系统开发和应用推广方面都取得重要进展，显示出巨大的发展潜力和广阔的应用前景，我国在这一科技领域也进入了发展的新阶段，VR技术已经成为我国信息科学技术发展的国家目标。同时VR研究领域仍然存在大量有待解决的问题和难题，而且还在不断产生新的理论和关键技术问题，这些问题的突破会导致VR技术的更大发展。

　　今后的十年将是这些问题逐步解决和突破的十年，也将是VR在我国推广应用，产生巨大经济、社会效益的十年。VR是一个充满活力和挑战的科学技术领域。