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虛擬現實技術：打通虛實融合的隧道還要走多遠
簡介
以計算科學為核心的虛擬現實技術是多學科、多方向交叉的新技術，能夠生成近似真實環境視、聽、嗅、觸等感知信息的虛擬環境。隨著計算機圖形學、人機互動、認知心理學、感測器技術等領域的快速發展及套用的不斷深入、行業需求的日益旺盛，虛擬現實技術也面臨著新的問題和挑戰。
以計算科學為核心的虛擬現實技術是多學科、多方向交叉的新技術，能夠生成近似真實環境視、聽、嗅、觸等感知信息的虛擬環境。用戶藉助必要的裝備與虛擬環境的各種對象進行互動作用並相互影響，可以獲得對真實環境的親臨感受和體驗。
隨著計算機圖形學、人機互動、認知心理學、感測器技術等領域的快速發展及套用的不斷深入、行業需求的日益旺盛，虛擬現實技術將會面臨什麼樣的新問題和新挑戰？虛擬環境與真實環境的無縫融合又需要突破什麼樣的理論方法和技術呢？在近日舉行的中國計算機學會青年計算機科技論壇上，眾多虛擬現實領域的專家圍繞虛實結合技術的研究現狀、發展趨勢和套用前景作了深入的探討。
目錄
虛實現實技術水平虛擬現實技術的實質是構建一種人能夠與之進行自由互動的“世界”，在這個“世界”中，參與者可以實時地探索或移動其中的對象，而高精度、高速率、高解析度、輕量、裸眼、無線是虛擬現實技術未來的發展趨勢。
“像大型工廠、大飛機、核設施、航天設施等設計方案的高效的輔助論證，通過實時定位、關聯實際對象與虛擬模型實現高可信的演練和實際操作指導，都對虛擬現實技術具有較高的需求。”浙江大學計算機輔助設計與圖形學（CAD&CG）國家重點實驗室主任鮑虎軍博士說。
據悉，我國虛擬現實技術研究起步較晚，與國外已開發國家還有一定的差距，但一直都受到國家有關部門和科學家們的高度重視，並根據我國的國情制定了開展虛擬現實技術的研究計畫。
“‘863’計畫、國家自然科學基金、國家高技術研究發展計畫等都把虛擬現實技術列為研究項目。國內一些重點院校已積極投入到這一領域的研究當中，研發出了許多數據採集、跟蹤、顯示再現技術與裝置，技術水平也日趨成熟。
如果把虛擬和現實作為一個隧道的兩端，要打通這個隧道，即達到虛實無縫融合，時空就要完全配準，行為及其相互作用要符合客觀規律，才能使用戶對二者具有同樣的感覺。
按照通常的理解，虛擬是一種可計算的數位化環境，它是對客觀存在的真實環境的描述或者映射，甚至是數位化的克隆。“但是，關於視頻圖像，很難說它是實的還是虛的，它在不同的時間、空間裡是不一樣的。”北京航空航天大學虛擬現實技術與系統國家重點實驗室教授陳小武說。
“從虛到實，三峽建設是一個比較典型的例子。它大量的東西是實的，少量的東西是虛的，三峽建設人員努力地讓虛的東西儘量去實，通過虛實遮擋等技術來輔助大壩建設。”
在虛實結合里，當大量的視頻存在的時候，影響模型的逼真性的致命問題就是光照效果。“前段時間我在頤和園參加了一個項目的鑑定，發現在計算機上顯示出來的東西非常漂亮，但放到頭盔顯示器上就不行了，一個關鍵的問題就是光的作用。而且，當時測試的時間是安排在下午5點到6點，這個時間自然光和虛擬模型的光照結合在一起，效果應該是最好的。光的虛實結合是非常難的，它的效果的好壞決定了整個虛實結合場景的效果，所以虛實光的結合、陰影的結合是未來重點研究的方向。”陳小武說。
虛實結合，不但可以從虛走到實，還可以從實走到虛。不過，陳小武表示，現在從事虛擬現實技術研究的大部分人都只是研究從虛到實。
在基於視頻圖像的虛擬現實技術中，當互動性要求比較低、渲染性要求比較高的時候，我們就可以用實的東西來做虛的東西。“比如說央視的《再說長江》。當時他們拍長江時去了很多地方，用了很多時間。但是有些地方為了補鏡頭，再跑去重拍太費勁。因此，他們就從已經有的素材里提取了一些需要的場景，合成了他們想要的鏡頭。這就是從實走到虛。”陳小武告訴記者。
虛實融合其實是追求虛與實的平衡，但是虛擬環境的可信性度量和評價一直是困擾虛擬現實的理論技術難題。雖然虛實融合看上去是以客觀存在的真實場景“檢驗”虛擬場景的逼真性和可信性，但事實上困擾虛擬現實的可信性度量和評價問題，已被轉化為虛實融合效果的逼真性和可信性的問題。
“也許無法說明虛實融合場景建模的絕對可信性，或者找到一個絕對可信的辦法，但是我們可以說在某種約束的條件下，它的建模是可信的、可度量的、可評價的。我們把問題轉化為這樣的內容：這個約束是什麼，怎樣建立這樣的約束條件。”陳小武認為。
陳小武表示，在建立約束條件時，可以重點考慮以下幾個方面：面向虛實融合場景的用戶感知因素分析法、虛實三維註冊的可信性度量方法、虛實物體空間遮擋關係的可信性度量與驗證方法、虛實光照融合效果、場景與對象的關係合不合理及指標體系和示範。
同時，虛擬現實技術構建成本較高影響其套用普及。而且，它的規模較大、複雜度較高、計算量巨大。“我們期望虛擬現實技術能解決以上的技術挑戰，帶來更加廣闊的套用前景。”
