□文/张宇
虚拟现实经历了三次热潮：第一次源于1960年，确立了VR技术原理；第二次发生在1990年，VR试图商业化但未能成功；目前正处于第三次热潮前期，以Facebook 20亿美元收购Oculus为标志，全球范围内掀起了VR商业化、普及化的浪潮。
“虚拟现实” (virtual reality，英文简称“VR”)主要指利用先进的显示、计算机、传感、人工智能等多种技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界。在这样的“世界”里，用户们可以从自身视点出发，利用自然技能和外加设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览并交互信息、交流体验。“虚拟现实”技术为我们带来的是逼真的感觉、自然的交互、个人的视点及迅速的响应。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的融合，是一门富有挑战性的交叉技术。
整体来看，目前VR 产业仍处于起步阶段，供应链及配套还不成熟。在这样的情况下，虚拟现实要达到逼真的多种感觉和实时的自然交互是非常不容易的。但是VR领域发展前景广阔，预计未来市场潜力巨大。随着技术的成熟与成本的下降，虚拟现实带来的沉浸感与交互体验升级不仅能够应用于娱乐社交，更将对各行各业的生产沟通效率带来极大改变。如高端制造全流程参与、职业教育培训、设计效果呈现等，都是虚拟现实技术应用的绝佳领域，“VR+”的需求将层出不穷。就像“互联网+”一样，VR技术也将逐步渗透产业，形成“VR+”的趋势。同时，随着新一代的CPU、GPU、显示技术、传感技术进步支撑VR 行业发展，虚拟现实基本上到了爆发的起点，2016有望成为虚拟现实元年。
张宇 上海市科学学研究所 助理研究员法国佩皮尼昂大学硕士
图1 人机交互方式变化
用“芯”思考—芯片是保证运算能力和流畅度的核心
以现阶段来说，市场上的硬件仅仅满足VR的一些基本功能可以运行而已，在硬件各个方面都有很大的提升空间，而不只是某一方面的提升。以面向VR智能眼镜芯片技术为例，它们需要向“四更”方向努力：更小(体积更小)，更快(传输更快)，更省(更低的功耗)，更强(更强的计算能力，更强的图形计算、并行处理等能力)。MCU、CPU、GPU等需要更强的计算能力，以满足算法、显示、交互等工作需求。同时，要降低芯片的功耗，以满足更长时间的工作需求。另外，体积也要浓缩，这样才能释放空间用于他处。未来需要针对CV/AI专门优化的芯片来提高运算速度和降低功耗。随着VR需求的扩大，一定程度上会提升相关编解码多媒体定制芯片的发展。
美国高通公司研制的芯片体现出更加智能的效果。预计在2016年上半年推出的智能移动设备的核心处理器Snapdragon 820，能够为VR技术提供核心支持。在这款GPU中的一项重要技术Foveated Rendering，能够简化图像处理的过程。在使用过程中，这项技术并没有将VR头盔屏幕中的图像像素完全处理，而是把处理能力主要用在了用户的视线真正注意到的屏幕部分。因为人的眼睛在视物的过程中，并不会注意到全部的细节，因此就没有必要把芯片的处理能力完全平分在整个屏幕上；只需要将人真正注意的部分处理好就可以了。
目前我国的产业集群和自主创新能力已经形成新常态，如国内的集成电路设计的公司，从海思和展讯，已经成为全球集成电路设计的十大企业。芯片设计和芯片制造能力方面，中国已经成为并且事实性地正在积聚着创造的领导和形成着产业集群的优势。
视觉仿真—身临其境的效果首先要“看”显示设备技术水平
人看周围的世界时，由于两只眼睛的位置不同，得到的图像略有不同，这些图像在脑子里融合起来，就形成了一个关于周围世界的整体景象，这个景象中包括了距离远近的信息。当然，距离信息也可以通过其他方法获得，例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等。在VR系统中，双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就使视差产生了立体感。
整体来看，虚拟现实技术及其应用，经历了桌面式和分布式两个阶段的发展后，正处于沉浸式发展初期，未来朝着增强式的方向发展。2013年，Oculus VR 推出VR头戴显示器Oculus Rift，区别于头戴3D显示器，它的视场角得到改进，并配置多种传感器使交互提升。2014年，Google推出头戴手机盒子Cardboard，它结构简单、成本低廉、易于推广，消费级沉浸式VR设备受到国内外公司的关注。目前，消费级沉浸式VR设备市场处于发展初期，中国从事沉浸式VR设备开发的公司约100多家，大部分产品没有上市或仅推出开发者版本。内容方面，以3D电影、VR游戏、360全景视频/图片为主，内容数量有限，VR游戏处于样片阶段。3Glasses是中国最早从事VR领域探索的公司之一，已发布亚洲首款VR头盔3Glasses D1以及全球首款量产2k屏的VR头盔3Glasses D2，并入驻深圳工业展览馆，向社会团体和普通市民免费体验。
捕风捉影—位置传感与动作捕捉需要既快又准
人造环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态，而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头（眼）的方向来确定的。 跟踪头部运动的虚拟现实头套：在传统的计算机图形技术中，视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的，用户的视觉系统和运动感知系统是分离的，而利用头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来，感觉更逼真。另一个优点是，用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动去观察环境。在用户与计算机的交互中，键盘和鼠标是目前最常用的工具，但对于三维空间来说，它们都不太适合。在三维空间中因为有六个自由度，我们很难找出比较直观的办法把鼠标的平面运动映射成三维空间的任意运动。现在，已经有一些设备可以提供六个自由度，如3Space数字化仪和SpaceBall空间球等。另外一些性能比较优异的设备是数据手套和数据衣。
2015年3月在MWC2015上，HTC与曾制作Portal和Half-Life等独创游戏的Valve联合开发的VR虚拟现实头盔产品HTC Vive亮相。HTC Vive控制器定位系统Lighthouse采用的是Valve的专利，它不需要借助摄像头，而是靠激光和光敏传感器来确定运动物体的位置，也就是说HTC Vive允许用户在一定范围内走动。
愚公搬山—数据计算能力与传输速度是产业化前的两座大山
相比较而言，利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模型，又有足够的时间，我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像，但是这里的关键是实时。例如在飞行模拟系统中，图像的刷新相当重要，同时对图像质量的要求也很高，再加上非常复杂的虚拟环境，问题就变得相当困难。在现实环境中实现无差别图像视频识别需要极其庞大的数据规模，如一条街道上，需要街景、人脸、服装等各种数据；目前数据的采集、存储、传输、分析技术都有需要解决的难题：仅海量数据的清洗、录入，本身就是浩瀚的工程。
VR技术包括四项关键指标，领先厂商已经达标，VR技术趋于成熟。这四项指标为：屏幕刷新率、屏幕分辨率、延迟和设备计算能力。高通Snapdragon 820能为先进的计算机视觉技术提供支持。Snapdragon 820将为立体摄像机提供保障，连续处理两条高达13兆像素的数据流。同时，其他方面的技术如输入设备在姿态矫正、复位功能、精准度、延迟等方面持续改善；传输设备提速和无线化；更小体积硬件下的续航能力和存储容量不断提升；配套系统和中间件开发完善。
VR 技术起源于1965 年Ivan Sutherland 在IFIP会议上所作的“终极的显示”的报告。20世纪80年代美国VPL 公司的创建人之一Jaron Lanier 正式提出了“Virtual Reality”一词。VR 技术兴起于20世纪90 年代。2000 年以后，VR 技术整合发展中的XML、JAVA 等先进技术，应用强大的3D 计算能力和交互式技术，提高渲染质量和传输速度，进入了崭新的发展时代。VR 技术是经济和社会生产力发展需求的产物，有着广阔的应用前景。为了把握VR技术优势，美、英、日等国政府及大公司不惜投入巨资在该领域进行研发，并显示出良好的应用前景。
2008年2月，美国国家工程院(NAE)公布了一份题为“21世纪工程学面临的14项重大挑战”的报告。VR技术是其中之一，与新能源、洁净水、新药物等技术相并列。并提出这些技术挑战的任何一项一经克服，将可极大地改善人们的生活质量。
在欧洲, 英国在VR 开发的某些方面,特别是在分布并行处理、辅助设备(包括触觉反馈)设计和应用研究方面, 领先于欧洲其他国家。英国Bristol 公司发现, VR 应用的交点应集中在整体综合技术上, 他们在软件和硬件的某些领域处于领先地位。英国ARRL公司关于远地呈现的研究实验,主要包括VR 重构问题。他们的产品还包括建筑和科学可视化计算。
欧洲其它一些较发达的国家如:荷兰、德国、瑞典等也积极进行了VR的研究与应用。瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境, 是一个基于Unix的, 不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。荷兰海牙TNO 研究所的物理电子实验室(TNO -PEL)开发的训练和模拟系统, 通过改进人机界面来改善现有模拟系统, 以使用户完全介入模拟环境。德国在VR的应用方面取得了出乎意料的成果。在改造传统产业方面, 一是用于产品设计、降低成本, 避免新产品开发的风险;二是产品演示, 吸引客户争取定单;三是用于培训,在新生产设备投入使用前用虚拟工厂来提高工人的操作水平。2008 年10 月27 -29 日在法国举行的ACM Symposium on Virtual Reality Software and Technology 大会,整体上促进了虚拟现实技术的深入发展。
东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面, 称为SpmAR;NEC 公司开发了一种虚拟现实系统,用代用手来处理CAD 中的三维形体模型, 通过数据手套把对模型的处理与操作者的手联系起来;日本国际工业和商业部产品科学研究院开发了一种采用X 、Y 记录器的受力反馈装置;东京大学的高级科学研究中心的研究重点主要集中在远程控制方面, 他们最近的研究项目是可以使用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂的主从系统;东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题。他们正在开发一种虚拟全息系统, 用于克服当前显示和交互作用技术的局限性;日本奈良尖端技术研究生院大学教授千原国宏领导的研究小组于2004 年开发出一种嗅觉模拟器, 只要把虚拟空间里的水果放到鼻尖上一闻,装置就会在鼻尖处放出水果的香味, 这是虚拟现实技术在嗅觉研究领域的一项突破。
企业是推动VR 技术应用和产业化的重要力量。IBM 公司把互联网和VR 技术作为正在兴起的商机，投入上亿资金资助研发。其推出的Bluegrass 是一个虚拟现实应用程序，能够让用户建立虚拟的会议室。IBM 2008 年启动的“Sametime 3D”项目，将虚拟世界整合到Lotus Sametime 即时通讯与协作应用软件中。IBM 还与故宫博物院合作推出“超越时空的紫禁城”。这是中国第一个在互联网上展现重要历史文化景点的虚拟世界。微软公司开发了诸多VR 技术: Photosynth 软件能够让用户使用一组有相似性的照片生成一个3D场景; Silverlight 插件支持3D 效果，并能使用显示卡的GPU 硬件加速功能来提高显示质量; 3D 体感摄影机Project Natal 导入了即时动态捕捉、影像辨识、麦克风输入、语音辨识、社群互动等功能; World-Wide Telescope 基于Web 2.0 可视化环境，是Internet上的一个虚拟望远镜，用户可以对图像进行无缝缩放和平移; Virtual Earth 3D 的使用者可以浏览美国主要城市的全方位3D 图片。施乐公司( Xerox)研究中心在VR 领域主要从事利用虚拟现实通信建立未来办公室的研究，并设计一项基于VR 使得数据存取更容易的窗口系统。此外，波音公司的波音777 运输机采用全无纸化设计，利用所开发的VR 系统将虚拟环境叠加于真实环境之上，把虚拟的模板显示在正在加工的工件上，工人根据此模板控制待加工尺寸，简化加工过程。
我国VR 技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展VR 技术的研究计划。“九五”规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR 列入了研究项目。国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。
北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR 研究、最有权威的单位之一，并在以下方面取得进展：着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。浙江大学CAD＆CG 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等技术问题。清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——立体显示技术进行了研究， 提出了一种基于JPEG 标准压缩编码新方案，获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度。北方工业大学CAD 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片《相似》就出自该中心。
关于虚拟现实的研究我国已经完成了2 个“863”项目，完成了体视动画的自动生成部分算法与合成软件处理， 完成了VR 图像处理与演示系统的多媒体平台及相关的音频资料库，制作了一些相关的体视动画光盘。另外，西北工业大学CAD／CAM 研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所、长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与信息科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。
当前，我国专注于虚拟现实与仿真领域的软硬件研发与推广，已具备了国际上比较先进的虚拟现实技术解决方案和相关服务，其中代表产品有：虚拟现实编辑器（VRP－Builder）、数字城市仿真平台（VRP－Digicity）、物理模拟系统（VRPPhysics）、三维网络平台（VRPIE）、工业仿真平台（ⅣRP－Indusim）、三维仿真系统开发包（rvRP－SDK）以及多通道环幕立体投影解决方案等，能够满足不同领域不同层次的客户对虚拟现实的需求。
在企业方面，以我国增强现实头戴显示器市场为例，其参与者主要是初创企业，多数产品尚处于研发阶段。从产品功能来看，初创公司的产品与谷歌眼镜功能相仿，价格具有优势，但自主创新能力还不足。目前主要包括百度公司的Baidu Eye、联想公司的Vuzix M100，蓝斯特科技公司的EPW、PMD、MG1，百宣微云软件公司的Rui Glass G1,奥图科技公司的Cool Glass ONE，创玄微科技公司的创玄眼镜，亮亮视野科技公司的GLXSS智能眼镜和云视智通科技公司的云瞳等。
将脑-机接口( brain-computer interface，BCI) 技术与虚拟现实( virtual reality，V R) 相结合构成基于虚拟现实的脑-机接口( BCI-V R) 新技术是最近在多媒体和娱乐领域出现的一种BCI 应用新模式。
BCI-VR兼取两者优势互补，同时又相互促进创新。BCI-VR系统的提出和发展时间并不长: 2000年结合VR与BCI 技术，科学家在虚拟环境中试驾驶一辆小车遇到红灯时停下，红灯被设置为足够诱发事件相关电位P300 信号。2006 年清华大学马贇等设计了基于BCI 技术的VR康复训练平台，其中将想象运动BCI 与运动功能康复训练VR结合在一起。2007 年Robert Leeb、Doron Friedman等使用BCI 控制虚拟环境 中轮椅前进或停止。2010 年Po T.Wang 等验证了使用BCI 在VE 中控制下肢进行功能性电刺激( functional electric stimulation，FES) 的可能性，2012年又完成了在虚拟环境中通过BCI 控制实现下肢自定步调行走。为进一步扩展其实用性，还希望该系统可以提供更多指令输出以便与现实世界互动。为此，西安交通大学李叶平等将刺激目标与场景图像结合，设计了一种高效稳健的场景结合导航方法，显著减少了目标识别次数，大幅提高了BCI 控制轮椅的导航效率。
技术需要在产品中表现，而产品需要在市场中消化。整体来看，企业级与消费级VR市场将共同发展,相互促进。企业级应用所积累的资金、渠道、技术、人力资源都将在同质化的消费级市场里发挥作用。企业级市场的繁荣,将带动消费级市场的成熟,两个市场将有望共同发展。而实验室级别的交叉技术融合的发展，又将跳出当前VR应用终端是固定还是移动的发展路径的争论，为后续发展明确方向。
所以与其担心巨头抢占自己的市场份额，不如先把眼前事做好，努力为VR用户的每一天带去更好的东西，将虚拟务实。
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