赵沁平院士谈虚拟现实中的10个科学技术问题-凯发app

2013年以来，随着虚拟现实(virtual reality，简称vr)/增强现实(augmented reality，简称ar) 设备(如头戴式显示器等) 质量迅速提升、价格大幅降低，vr开始普及化，从军事、航空航天等高端行业应用进入大众生活。在这样的趋势下，越来越多的科技公司将眼光投向vr，部署研发团队并推出自己的vr创新产品，展开抢占vr产业制高点的激烈竞争，使得vr 技术进入了前所未有的快速发展时期。

任何一项新兴高技术产业的可持续发展都需要有三方面的条件支撑，vr产业也不例外，这就是需要关键技术突破与科技创新的持续支持，各类vr人才的强大支撑，以及市场需求的不断推动，而市场的形成又有赖于vr 应用系统与内容的不断丰富与创新。

实现一个vr系统，大体需要四方面的技术: 数据与获取、分析与建模、绘制与表现， 以及传感与交互。这四个方面均涉及硬件平台与装置、核心芯片与器件、软件平台与工具和软硬标准与规范。同时vr应用也需要结合各行业领域的应用技术，因此vr是学科高度综合交叉的科学技术领域，是存在许多有待解决的科学技术问题、并不断产生新科学技术问题的充满活力的新兴领域。

2009年我根据自己多年从事vr技术研究的体会，归纳总结了当时vr中的10个科学问题，并于2011年发表于communications of the acm。现在回头来看，这些问题的提出， 在一些方面推动了vr技术的研究，其中有的在一定程度上有所突破， 有的进展不明显，有的则被更为迫切的问题所掩盖，这体现了vr技术领域的活跃性。根据本人对近年来vr技术的发展趋势、vr应用和产业发展所遇到的技术瓶颈的认识，以及本人新的研究体会，在本文提出当前vr科学技术中新的10个科学技术问题。这些技术的突破会导致vr 应用和产业的新的巨大进展。

头戴式显示虚拟场景的空间计算，包括体验者头部和位置的实时精准跟踪定位，以及ar头戴显示中虚拟对象在现实空间中的位置计算与实时表现是需要进一步研究的问题。与此相关，虚实融合是ar的基本问题之一，包括视频式ar显示中图形对象与视频图像的融合，以及光学透视式ar显示中图形对象与现实景物的融合。 前者研究的时间比较长，后者随着光学ar头戴显示的实用化，逐步成为这一方向的主流， 许多问题有待解决。同时，光学透视式ar 的室外化，包括室外大场景下的虚实融合是有待探索的一个方向。

基于移动终端和互联网的vr具有巨大发展潜力。对于前者， 低计算、低存储vr 技术， 云计算vr技术， 低延迟大数据传输与新型交互等是可创新技术方向。后者需要全屏3d绘制、vr设备接入与更合适的人机交互机制， 以及新型浏览器标准。web vr将对现有浏览器和邮件系统等带来变革和颠覆性影响， 成为互联网的新入口。

目前，虚拟对象的物理表现及其物理模型研究主要集中在运动学和动力学方面。物理模型也只有粒子系统、弹簧模型、sph (smoothed particle hydrodynamics) 方法等少数几个。物质的许多物理特征(如材料特征)，爆炸、切割等物理现象，柔、黏、塑、流、气、场等物质对象的物理特征与交互响应的实时逼真表现，存在许多理论问题。 由于物理模型计算量巨大， 因此具体应用时实时性和逼真性之间的平衡也是需要考虑的问题。提出表现某类物理特征和物理现象的新型物理模型，构造其物理引擎及核心算法芯片ppu (physics processing unit)， 可以带来原创性、平台工具性成果。

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