虛擬現(xiàn)實(shí)的昨天、今天和明天

金小剛 唐祥峻

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)經(jīng)過長期的發(fā)展和積累，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷完善，產(chǎn)業(yè)布局初步形成。從產(chǎn)業(yè)鏈的角度來看，虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)硬件、軟件、平臺、內(nèi)容和應(yīng)用場景都已經(jīng)逐漸走向成熟;從產(chǎn)業(yè)生態(tài)的角度來看，政府密集出臺促進(jìn)發(fā)展的各項(xiàng)政策，研發(fā)機(jī)構(gòu)不斷推出新技術(shù)、新應(yīng)用，不同規(guī)模的相關(guān)企業(yè)蓬勃發(fā)展，各行業(yè)用戶規(guī)模不斷累積，虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)落地生根的“沃土”已然形成

近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展成熟、場景的不斷創(chuàng)新、內(nèi)容的不斷豐富、案例的加速涌現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)逐漸走到“臺前”，在教育培訓(xùn)、醫(yī)療健康、設(shè)計(jì)制造、文化、商貿(mào)、旅游、娛樂等領(lǐng)域逐漸展現(xiàn)其廣闊應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。?shù)字經(jīng)濟(jì)時代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將對人們的生產(chǎn)生活方式產(chǎn)生越來越深入的影響，與物理實(shí)現(xiàn)平行的“孿生世界”將會成為人們了解世界、連接世界、影響世界的最重要載體和通道。

虛擬現(xiàn)實(shí)不是一種特定的應(yīng)用，也并不針對特定的人群。它不會隨著某個特定的需求而出現(xiàn)，當(dāng)這個特定需求得到滿足后隨之消失。相反，它適用于社會的各個領(lǐng)域——可以是教育行業(yè)、制造領(lǐng)域、娛樂游戲，也可以是電子商務(wù)。只要人們希望自己的生活更便捷、更幸福;只要供應(yīng)商希望消費(fèi)者能從更多層面體驗(yàn)到自己的產(chǎn)品;只要內(nèi)容制作人仍舊渴望表達(dá)，VR/AR就能以適合的方式應(yīng)用其中。同時，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和5G、人工智能等信息技術(shù)的深度融合，促進(jìn)了不同領(lǐng)域的交叉融合，不斷催生新場景、新業(yè)態(tài)。

那么，VR/AR將會如何改變，又將改變社會生產(chǎn)生活的哪些方面呢？

密集出臺的政策促進(jìn)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展

2016年在G20杭州峰會上，習(xí)近平總書記提出，人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)日新月異，虛擬經(jīng)濟(jì)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)的結(jié)合，將給人們的生產(chǎn)生活方式帶來革命性的變化。

2018年12月，工信部發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，指出虛擬現(xiàn)實(shí)能夠拓展人類感知能力、改變產(chǎn)品形態(tài)和服務(wù)模式，給經(jīng)濟(jì)、科技、文化、軍事、生活等領(lǐng)域帶來深刻影響。全球虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)正從起步培育期向快速發(fā)展期邁進(jìn)，我國面臨同步參與國際技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的難得機(jī)遇，需加快我國虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用創(chuàng)新，培育信息產(chǎn)業(yè)新增長點(diǎn)和新動能。

2020年6月，深圳出臺產(chǎn)業(yè)扶持政策，重點(diǎn)支持面向VR/AR技術(shù)終端設(shè)備研發(fā)的企業(yè)，最高可補(bǔ)貼1000萬元。

2020年7月，國務(wù)院發(fā)文鼓勵“夜游”和“沉浸式”消費(fèi)。

今年3月，“十四五”規(guī)劃綱要將虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)列為未來五年數(shù)字經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，賦予了虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)新的歷史使命，有望加速相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

移動互聯(lián)網(wǎng)帶來虛擬現(xiàn)實(shí)扎根的“沃土”

虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)鏈可分為硬件、軟件、內(nèi)容制作與分發(fā)、應(yīng)用和服務(wù)四大部分。硬件包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使用的整機(jī)和元器件，按照功能可分為核心器件、終端設(shè)備和配套外設(shè)三個部分。其中，核心器件包括芯片、傳感器、顯示屏、光學(xué)器件、通信模塊等;終端設(shè)備包括主機(jī)、移動端設(shè)備;配套外設(shè)包括手柄、攝像頭和體感設(shè)備。虛擬現(xiàn)實(shí)軟件包括支撐軟件和軟件開發(fā)工具包。內(nèi)容制作與分發(fā)是虛擬現(xiàn)實(shí)場景的數(shù)字表達(dá)，包括內(nèi)容表示、內(nèi)容生成與制作、內(nèi)容編碼實(shí)時交互等。應(yīng)用和服務(wù)是指使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來提供應(yīng)用和服務(wù)。

從產(chǎn)業(yè)鏈的角度來看，我國虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，產(chǎn)業(yè)生態(tài)初步形成。從產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)看，移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來芯片行業(yè)、軟件行業(yè)和內(nèi)容制作行業(yè)的蓬勃發(fā)展，成為虛擬現(xiàn)實(shí)落地生根的“沃土”。在硬件層面，5G時代來臨，低延時、高寬帶、大容量的網(wǎng)絡(luò)通信，配合云計(jì)算的發(fā)展，有助于在低端設(shè)備上提升虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感和可交互性，減弱因計(jì)算力不夠?qū)е碌难灥痊F(xiàn)象。同時，GPU運(yùn)行效率越來越快，視覺、觸覺、聽覺等多感官交互系統(tǒng)共同發(fā)展、眼球追蹤表情捕捉等技術(shù)進(jìn)入應(yīng)用階段。此外，AI加快賦能虛擬現(xiàn)實(shí)，神經(jīng)渲染、基于深度學(xué)習(xí)的三維重建、基于深度學(xué)習(xí)的運(yùn)動合成、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，為虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容制作和生成提供有力支撐。

虛擬現(xiàn)實(shí)新產(chǎn)品和投融資市場表現(xiàn)火熱

隨著傳感、交互、建模和呈現(xiàn)等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷成熟，虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品和應(yīng)用也隨之如雨后春筍般大量涌現(xiàn)。2020年1月，微軟Hololens 2代AR眼鏡正式上市;同月，全球首款1.3英寸2.6K微型OLED發(fā)布，Mojo Vision實(shí)現(xiàn)了隱形眼鏡內(nèi)置LED顯示屏。2020年5月，虛幻引擎5正式發(fā)布;同月，高通宣布推出支持VR頭顯設(shè)備的WiFi—6E芯片;7月，酷派發(fā)布一體式AR眼鏡Xview;8月，華為上線3D開發(fā)工具Reality Studio;9月，F(xiàn)acebook發(fā)布Quest2（VR一體機(jī)），華為發(fā)布VR/AR Engine3.0;11月，OPPO推出AR眼鏡OPPO AR Glass 2021。虛擬現(xiàn)實(shí)新產(chǎn)品的發(fā)布可謂是緊鑼密鼓、目不暇接。

在產(chǎn)品發(fā)布革新的同時，伴隨而來的是科技公司和市場的熱烈響應(yīng)。近三年的虛擬現(xiàn)實(shí)專利新申請量超過之前20年之和，投融資市場也進(jìn)入新一輪增長的熱潮，各大互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)紛紛布局虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域。2020年全球虛擬現(xiàn)實(shí)市場規(guī)模約900億元，其中VR市場620億元、AR市場280億元。2020年1月，2020年國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會（CES 2020）順利舉辦，VR/AR參展企業(yè)327家，較2019年增長30%。此外，蘋果公司1億美元收購VR內(nèi)容直播平臺Next VR，谷歌1.8億美元收購加拿大AR眼鏡廠商N(yùn)orth，索尼宣布對Epic Games投資2.5億美元，這些都顯示著科技公司投資虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的熱情。

社會需求決定了虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的廣度和深度

社會需求決定了市場大小。虛擬現(xiàn)實(shí)可應(yīng)用于包括教育、制造、娛樂、軍事、智慧城市、航空航天等多個行業(yè)，這也決定了它的應(yīng)用案例多、應(yīng)用領(lǐng)域廣。例如，在航空航天行業(yè)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被應(yīng)用于虛擬環(huán)境模擬訓(xùn)練，并在神舟11號飛行任務(wù)中為航天員提供心理支持和保障;美軍很早就應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行模擬軍事訓(xùn)練、武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)和評估，并構(gòu)建了虛擬戰(zhàn)場環(huán)境。在制造業(yè)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以全方位展示產(chǎn)品外形、結(jié)構(gòu)和零部件使用方案，打破二維設(shè)計(jì)的桎梏;在教育行業(yè)，能為人們打造一個安全、相對準(zhǔn)確的虛擬環(huán)境中，從而極大地提高人們的互動性、注意力和理解力;在醫(yī)療行業(yè)，被應(yīng)用于解剖學(xué)和病理學(xué)的教學(xué)，外科手術(shù)的訓(xùn)練和規(guī)劃，精神康復(fù)治療等;在文化藝術(shù)行業(yè)，被應(yīng)用于文物古跡復(fù)原和藝術(shù)品展示;在旅游行業(yè)，可以將購物、娛樂、飲食、住宿等出行數(shù)據(jù)在虛擬旅游中集合，提供旅游預(yù)體驗(yàn);在汽車行業(yè)，AR可在擋風(fēng)玻璃上展示不同信息，以帶來更好的駕乘體驗(yàn)。

2020年，新冠疫情突襲全球，使人們的行動和交流受限的同時，也再一次引爆了社會對虛擬現(xiàn)實(shí)的需求。借助AR/VR，人們可以不受現(xiàn)實(shí)世界時空限制，在充分自由的虛擬世界中了解、探索、近距離觀察事物并表達(dá)自我。

近期火熱的元宇宙概念，代表著虛擬現(xiàn)實(shí)未來的發(fā)展方向。元宇宙是一個虛擬時空間的集合，由一系列的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和互聯(lián)網(wǎng)所組成，代表著互聯(lián)網(wǎng)的下一個階段。元宇宙的火熱必將影響人們了解物理世界、連接物理世界，甚至成為改變物理世界的重要載體和通道。

虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展還有漫長的路程

虛擬現(xiàn)實(shí)的研究涵蓋了圖形學(xué)、人機(jī)交互、心理學(xué)、腦科學(xué)、人工智能等多學(xué)科領(lǐng)域，即便只關(guān)注虛擬現(xiàn)實(shí)的浸感性、交互性和想象力三個3I特性，現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用仍存在很多問題。

從沉浸感的角度來說，一般的移動端設(shè)備很難支持實(shí)時光追，盡管基于光柵化和圖像渲染等實(shí)時渲染算法的真實(shí)性已經(jīng)非常高，但對于要求做到“以假亂真”的沉浸感，虛擬現(xiàn)實(shí)仍需要非常大的美術(shù)工作量和算力支撐;而為了構(gòu)建真實(shí)可信的環(huán)境，還需要環(huán)境中有合理的物理響應(yīng)，包括如何快速進(jìn)行連續(xù)碰撞檢測，如何在節(jié)省計(jì)算力的情況下生成真實(shí)的物理特效——如流體特效、軟體特效等都是尚待解決的問題。此外，虛擬人會成為一個獨(dú)特的研究方向，其真實(shí)的面部表情動畫、自然豐富的行為姿態(tài)生成，都是非常重要的課題。

從交互性的角度來說，輕便的、易于操作的設(shè)備往往能帶來更好的體驗(yàn)，但相應(yīng)的準(zhǔn)確性也會同步下降;當(dāng)人們沉浸在虛擬環(huán)境中時，怎樣的交互方式可以不破壞沉浸感，又能準(zhǔn)確達(dá)到用戶目的，還尚未解決。交互的快速響應(yīng)要求虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中運(yùn)行的所有算法都必須達(dá)到實(shí)時，這同樣是對訪存的考驗(yàn)。如果整個環(huán)境都用相同的三角面片表示，復(fù)雜的幾何模型帶來更多細(xì)節(jié)的同時，也占用了更多的存儲資源。

想象力方面更多受限于創(chuàng)作者的創(chuàng)作能力，如何提供一個門檻更低、更易于創(chuàng)作者發(fā)揮自身想象力的平臺或者工具，也是急需解決的難題之一。元宇宙可能是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的終極目標(biāo)，但它不是一個應(yīng)用，而是提供了另一個現(xiàn)實(shí)。每個人在那個現(xiàn)實(shí)中擁有著自己的化身，可以自由地創(chuàng)作和分享，可以涵蓋社會生產(chǎn)生活的許多方面。

現(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域需要做的是把握新一代信息技術(shù)孕育發(fā)展的機(jī)遇，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動、協(xié)同發(fā)展;加強(qiáng)技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)、豐富內(nèi)容服務(wù)供給，深化行業(yè)應(yīng)用、優(yōu)化發(fā) 展環(huán)境、建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、強(qiáng)化公共服務(wù)。以產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力提升，促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合。

（作者單位：浙江大學(xué)）

近期火熱的元宇宙，可能是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的終極目標(biāo)。元宇宙是一個虛擬時空間的集合，由一系列的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和互聯(lián)網(wǎng)所組成，代表著互聯(lián)網(wǎng)的下一個階段。元宇宙的火熱必將影響人們了解物理世界、連接物理世界，甚至成為改變物理世界的重要載體和通道。