2013年以來，隨著虛擬現(xiàn)實(virtual reality，簡稱VR)/增強現(xiàn)實(augmented reality，簡稱AR)設備(如頭戴式顯示器等)質量迅速提升、價格大幅降低，VR開始普及化，從軍事、航空航天等高端行業(yè)應用進入大眾生活。在這樣的趨勢下，越來越多的科技公司將眼光投向VR，部署研發(fā)團隊并推出自己的VR創(chuàng)新產品，展開搶占VR產業(yè)制高點的激烈競爭，使得VR技術進入了前所未有的快速發(fā)展時期。
任何一項新興高技術產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都需要有三方面的條件支撐，VR產業(yè)也不例外，這就是需要關鍵技術突破與科技創(chuàng)新的持續(xù)支持，各類VR人才的強大支撐，以及市場需求的不斷推動，而市場的形成又有賴于VR應用系統(tǒng)與內容的不斷豐富與創(chuàng)新。
實現(xiàn)一個VR系統(tǒng)，大體需要四方面的技術：數(shù)據(jù)與獲取、分析與建模、繪制與表現(xiàn)，以及傳感與交互。這四個方面均涉及硬件平臺與裝置、核心芯片與器件、軟件平臺與工具和軟硬標準與規(guī)范。同時VR應用也需要結合各行業(yè)領域的應用技術，因此VR是學科高度綜合交叉的科學技術領域，是存在許多有待解決的科學技術問題、并不斷產生新科學技術問題的充滿活力的新興領域。
2009年我根據(jù)自己多年從事VR技術研究的體會，歸納總結了當時VR中的10個科學問題，并于2011年發(fā)表于Communicationsof the ACM.現(xiàn)在回頭來看，這些問題的提出，在一些方面推動了VR技術的研究，其中有的在一定程度上有所突破，有的進展不明顯，有的則被更為迫切的問題所掩蓋，這體現(xiàn)了VR技術領域的活躍性。 根據(jù)本人對近年來VR技術的發(fā)展趨勢、VR應用和產業(yè)發(fā)展所遇到的技術瓶頸的認識，以及本人新的研究體會，在本文提出當前VR科學技術中新的10個科學技術問題。這些技術的突破會導致VR應用和產業(yè)的新的巨大進展。
1.VR頭戴顯示的輸入與交互
現(xiàn)有VR頭戴式顯示器看不到體驗者自身，輸入不便，也缺少與景物的交互機制，身臨其境的感覺受限。因此，VR鼠標等便捷友好的VR輸入方式，能夠實時逼真地表現(xiàn)體驗者肢體、并能與虛擬場景對象實時交互的機制是需要研究的問題。
2.頭戴式顯示的空間計算與AR虛實融合及其室外化
頭戴式顯示虛擬場景的空間計算，包括體驗者頭部和位置的實時精準跟蹤定位，以及AR頭戴顯示中虛擬對象在現(xiàn)實空間中的位置計算與實時表現(xiàn)是需要進一步研究的問題。與此相關，虛實融合是AR的基本問題之一，包括視頻式AR顯示中圖形對象與視頻圖像的融合，以及光學透視式AR顯示中圖形對象與現(xiàn)實景物的融合。前者研究的時間比較長，后者隨著光學AR頭戴顯示的實用化，逐步成為這一方向的主流，許多問題有待解決。同時，光學透視式AR的室外化，包括室外大場景下的虛實融合是有待探索的一個方向。
3.VR視頻的采集、制作與交互式播放
VR全景視頻(包括基于桌面、移動終端或Web的VR視頻)的采集、制作、交互式播放技術與設備，以及跨平臺VR視頻播放器，是一個研究發(fā)展方向。如何在VR視頻中引入幾何與控制元素，增加VR視頻的交互類型，提高其交互性是值得研究的問題。
4.基于移動終端和互聯(lián)網(wǎng)的VR
基于移動終端和互聯(lián)網(wǎng)的VR具有巨大發(fā)展?jié)摿Ατ谇罢撸陀嬎恪⒌痛鎯R技術，云計算VR技術，低延遲大數(shù)據(jù)傳輸與新型交互等是可創(chuàng)新技術方向。后者需要全屏3D繪制、VR設備接入與更合適的人機交互機制，以及新型瀏覽器標準。Web VR將對現(xiàn)有瀏覽器和郵件系統(tǒng)等帶來變革和顛覆性影響，成為互聯(lián)網(wǎng)的新入口。
5.物理特征的更多表現(xiàn)與新型物理模型
目前，虛擬對象的物理表現(xiàn)及其物理模型研究主要集中在運動學和動力學方面。物理模型也只有粒子系統(tǒng)、彈簧模型、SPH(smoothed particle hydrodynamics)方法等少數(shù)幾個。物質的許多物理特征(如材料特征)，爆炸、切割等物理現(xiàn)象，柔、黏、塑、流、氣、場等物質對象的物理特征與交互響應的實時逼真表現(xiàn)，存在許多理論問題。由于物理模型計算量巨大，因此具體應用時實時性和逼真性之間的平衡也是需要考慮的問題。提出表現(xiàn)某類物理特征和物理現(xiàn)象的新型物理模型，構造其物理引擎及核心算法芯片PPU(physics processing unit)，可以帶來原創(chuàng)性、平臺工具性成果。
6.進化演化模型與虛擬孿生
基于化學、生物學和生命科學的人體器官的生理、化學、生物進化演化模型是有待深入研究的科學問題，可能產生新的知識型、概率型等模型類型。現(xiàn)實世界中的每一個(類)對象，均可以構建虛擬孿生，使其與現(xiàn)實孿生在幾何、物理、生理，以及進化演化等方面高度相似。人體、城市和復雜裝備的虛擬孿生會成為未來發(fā)展的重點，并對醫(yī)療健康、城市規(guī)劃管理和裝備設計維護領域產生顛覆性影響。構造虛擬孿生，特別是可交互幾何類虛擬孿生的理論與方法，既是VR，也是AR，MR(mixed reality,混合現(xiàn)實)等的基礎。
7.智能行為模型
隨著VR應用領域的不斷擴展，虛擬人(或計算機生成的人)操縱實體(如飛機、車輛等)成為VR系統(tǒng)的重要組成部分，這些智能體的行為使得VR系統(tǒng)所具有的3I(immersion,interaction，imagina-tion)特征向4I發(fā)展，即VR系統(tǒng)將具有更多的智能(intelligence)特征。該類問題的解決有賴于人工智能技術和人腦科學的發(fā)展。
8.力交互的柔韌感與新型自然交互
人與虛擬對象之間的力/觸覺逼真感知的方式、機制及其設備仍然存在大量的問題，特別是柔韌感;此外新的感知通道，如溫濕感、嗅/味覺等，有的剛起步，有的尚未涉足。這是一個需要多學科交叉研究解決的問題領域。
9.VR內容的智能化生產技術與通用軟件開發(fā)工具
目前VR內容制作生產力低下，原因一是VR建模、繪制、修補等生產環(huán)節(jié)的工具和開發(fā)平臺自動化、智能化程度低，二是VR硬件不兼容，均采用各自的軟件開發(fā)工具包(software development kit,SDK)。提高3D建模(幾何、圖像、掃描等)的效率和空洞修補的自動化水平等是需要進一步研究的內容，研發(fā)標準應用程序接口和通用軟件包是提高共享和研發(fā)效率的必然途徑。
10.VR的逼真性度量與VR心理學、VR社會學
VR的逼真性，即虛擬與現(xiàn)實孿生的相似性測度是有待研究解決的一個理論問題。在此基礎上研究各類VR應用的效果評價，特別是對人的心理影響，以及對人類社會帶來的影響，并進行相關約束與法律研究也是必要的，這會形成新的人文學科研究方向。
上述是本人認為VR領域當前迫切需要研究解決的10個科學技術問題。實際上，VR研究與應用領域中存在大量的科學技術問題。VR是一項可能的顛覆性技術，主要體現(xiàn)在六個方面：突破目前以2D為主的顯示，實現(xiàn)3D，以及未來的真三維顯示;突破目前屏幕物理尺寸的局限，實現(xiàn)全景顯示和交互體驗;突破鍵盤、鼠標人機交互方式，實現(xiàn)手眼協(xié)調的人機自然交互;突破時空界限，把用戶帶入未來或過去的時空環(huán)境;取代現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)郵件系統(tǒng)為主的通訊交互方式，成為互聯(lián)網(wǎng)的新入口和人際交互新環(huán)境。有助于實現(xiàn)上述顛覆性的基礎理論與關鍵技術都應該是VR技術研究者所追求的目標。
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