虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)-改變世界的技術(shù)

在此前閉幕的美國洛杉磯電子娛樂展覽會（又稱E3游戲展）上，微軟展示了一款名叫全息眼鏡的新產(chǎn)品，對虛擬與現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生了巨大顛覆。在現(xiàn)場，一名佩戴全息眼鏡的員工通過手勢、語音在游戲《我的世界》中進(jìn)行操作。游戲中如城堡、玩具等場景模型還可以立體呈現(xiàn)在任何物體的表面，比如桌面上。

    同時，對這些模型，這名員工甚至可以改變色彩、縮放尺寸，設(shè)計(jì)他想要的樣式，并通過全息眼鏡完成3D打印。這就是近年來大受青睞的虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)。作為一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境顯示技術(shù)，我國著名科學(xué)家錢學(xué)森曾將其翻譯為“靈境技術(shù)”，這一翻譯形象地指出其實(shí)質(zhì)——重建一個真實(shí)的世界，并且還要讓人能夠走進(jìn)去。

    近年來，國外科技巨頭如谷歌、微軟等通過推出各類虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，攪動了整個科技圈，國內(nèi)相關(guān)設(shè)備如3Glasses、蟻視、暴風(fēng)魔鏡等亦紛紛“亮劍”。分析人士表示，在未來5年內(nèi)，全世界虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的市場規(guī)模將達(dá)到300億美元，新科技革命的又一個“風(fēng)口”正在形成。

    “與‘互聯(lián)網(wǎng)+’一樣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也是各行業(yè)都可以采用并助力自身發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)。”在中國工程院院士、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任趙沁平看來，如今，虛擬現(xiàn)實(shí)的基本概念和基本實(shí)現(xiàn)方法已經(jīng)初步形成，下一步，虛擬現(xiàn)實(shí)＋X（應(yīng)用領(lǐng)域）將成為一種新趨勢，進(jìn)入“+時代”。

    巨頭聚焦 運(yùn)用廣泛

    正如科技公司一直所承諾的“將未來呈現(xiàn)在我們眼前”的誓言，微軟此次發(fā)布的全息眼鏡擁有一種透明鏡片，透過它，你除了可以看見自己生活的世界，同時還能看到3D物體漂浮于半空中，墻上懸掛著虛擬屏幕，各種虛擬生物正在臥室胡作非為……

    醫(yī)學(xué)院學(xué)生只要戴上頭盔和特質(zhì)的手套，就可以練習(xí)給虛擬病人做手術(shù)；傘兵不必再冒著生命危險練習(xí)跳傘，戴上頭盔在鼓風(fēng)機(jī)室里面就可以學(xué)習(xí)各種技巧；室內(nèi)裝潢設(shè)計(jì)也不必再紙上談兵，戴上頭盔在家里遛一圈就知道滿不滿意……虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的創(chuàng)新者宣稱，將來大部分需要人與人之間進(jìn)行實(shí)地交流的場景，都可以由這些設(shè)備接管。

    微軟不是虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域唯一的潛伏者，從社交網(wǎng)絡(luò)巨頭臉書去年豪擲23億美元收購虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔設(shè)備制造公司OculusVR開始，谷歌、三星、索尼等巨頭在這一領(lǐng)域布局的步伐正逐步加快。

    國內(nèi)潛心虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的創(chuàng)新者也不在少數(shù)。如3Glasses、蟻視、暴風(fēng)魔鏡等國內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的探索者們，正在不遺余力地進(jìn)軍開拓虛擬現(xiàn)實(shí)的“秘境”。

    除了潛伏者，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還迎來許多新的青睞者。例如，汽車廠商正將其運(yùn)用到產(chǎn)品體驗(yàn)中。在紐約國際車展上，豐田公司在自己的車輛中內(nèi)置了OculusRift虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔。當(dāng)戴上頭盔模擬駕駛時，試乘者會感覺自己如同置身于真實(shí)的城市街道中一樣。

    在裝備制造領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著廣泛應(yīng)用。如果按照傳統(tǒng)的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)方式，零件總數(shù)高達(dá)300萬件以上的波音777，需要7000余名各類專業(yè)設(shè)計(jì)人員組成200多個產(chǎn)品綜合研制小組同時工作。然而，在虛擬現(xiàn)實(shí)的三維模型仿真技術(shù)的幫助下，波音777的設(shè)計(jì)錯誤修改量較過去減少了90%，研發(fā)周期縮短了50%，成本降低了60%。

    在軍事領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也不斷受到軍方重視。例如，美軍正在使用的F-15全任務(wù)模擬系統(tǒng)，能夠模擬F-15戰(zhàn)斗機(jī)99%的飛行任務(wù)，既有起落、失速、螺旋、特技、夜航等技術(shù)訓(xùn)練，也有火力控制、編隊(duì)飛行、對地攻擊和空戰(zhàn)機(jī)動等戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練內(nèi)容。

    系統(tǒng)搭配 “以假亂真”

    那么，號稱“幾乎能模擬一切”的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)究竟是怎么做到的？總結(jié)來說，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要通過顯示系統(tǒng)、聲音系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)來模擬外部世界對人類感官的刺激和輸入，達(dá)到“以假亂真”的目的。

    首先是顯示系統(tǒng)。通過所佩戴頭盔上自帶的雙眼分屏顯示模塊，三維視覺效果得以成功“迷惑”我們的眼睛。這個原理和現(xiàn)在的3D電影類似，但技術(shù)難度更高更復(fù)雜，現(xiàn)行的各式虛擬現(xiàn)實(shí)可戴式設(shè)備中，往往內(nèi)置了一臺高精度高響應(yīng)能力的定位定向陀螺儀，配以高速三維場景計(jì)算系統(tǒng)，力圖實(shí)現(xiàn)頭部活動和眼前畫面無縫銜接。

    其次是聲音系統(tǒng)�，F(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)聲音系統(tǒng)，依靠先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)和發(fā)聲裝置制造工藝，將定位、音色、聲場等細(xì)節(jié)復(fù)原得淋漓盡致。

    再就是反饋系統(tǒng)。舉個例子，我們要模擬端起一杯水，如果伸手去端時，手卻一下子穿過了杯子——瞬間感覺被騙了。反饋系統(tǒng)正是為了增加這種觸感而產(chǎn)生：當(dāng)我們戴上“反饋手套”去端杯子時，手套就會在接觸“杯子”的一瞬間產(chǎn)生皮膚壓力，真實(shí)性就大大增強(qiáng)了。

    要做到這些還有一個基礎(chǔ)問題，那就是網(wǎng)速。4年前，一個國際專家小組就已實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)絡(luò)中雙向每秒186GB傳輸，這相當(dāng)于每天傳輸200萬GB信息。

    現(xiàn)今，美國、中國、日本、歐盟和俄羅斯都在投入巨資研究超級計(jì)算機(jī)。據(jù)預(yù)測，到2020年，最強(qiáng)超算的速度比今天最強(qiáng)超算至少快1000倍，網(wǎng)速將得到極大提升突破，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的系統(tǒng)模擬顯示將會做得更出色。

    目標(biāo)宏大 難點(diǎn)待解

    從1962年人們將頭伸進(jìn)首個虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備“體驗(yàn)劇場”，整個過程好像把頭埋進(jìn)箱子里看西洋景，到未來如《黑客帝國》描繪的將計(jì)算機(jī)連接到人們大腦的虛擬世界，或者像《星際迷航》里，計(jì)算機(jī)通過能量場及可視技術(shù)為人們創(chuàng)建可感知的世界，這段距離究竟有多長？或者更緊迫地說，我們什么時候能夠丟掉這個難看而笨重的“頭盔”？

    事實(shí)上，各國及相關(guān)組織一直在努力。早在2013年，歐盟委員會宣布實(shí)施“人腦工程”，利用超級計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)世界上對完整人類大腦的首次模擬。同年，美國政府發(fā)布“推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)腦研究計(jì)劃”（俗稱“腦計(jì)劃”，即通過采集人腦的動靜態(tài)數(shù)據(jù)來構(gòu)造人腦模型，虛擬人腦）。同時，美國達(dá)拉斯?jié)h森機(jī)器人技術(shù)公司也發(fā)起了一個“阿波羅大腦計(jì)劃”，力求到2019年能讓機(jī)器人版“阿凡達(dá)”的人工智能達(dá)到真人一樣的水平。目前科學(xué)家在人工智能研究方面取得的最大成績是造出智力水平僅相當(dāng)于一歲兒童的機(jī)器人。

    英國科學(xué)家則在研究通過備份大腦的方式讓人類實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化永生。其目標(biāo)是，在未來20年內(nèi)，人們只需要一個方糖大小的電腦裝置，就可以完整地備份人類每一秒鐘的思維和記憶。終極目標(biāo)是要創(chuàng)造一種人性化、有意識的機(jī)器人化身，使人自己或化身實(shí)現(xiàn)永生。

    這方面，我國較早就將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)納入國家科技發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃。據(jù)趙沁平介紹，2006年，我國政府發(fā)布《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要2006-2020年》，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)即是信息領(lǐng)域優(yōu)先支持的三大前沿技術(shù)之一。

    然而，要最終實(shí)現(xiàn)這些宏偉目標(biāo)，綜合來看，目前還有幾道坎。

    其一，全息建模。創(chuàng)造世界是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的終極應(yīng)用。但是要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，每一個細(xì)小物品的建模所產(chǎn)生的工作量和時間成本都是巨大的。這方面，3D打印技術(shù)如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更大突破是關(guān)鍵之所在。

    其二，感觀反饋。一個終極的虛擬現(xiàn)實(shí)世界，需要讓人可以產(chǎn)生真實(shí)的觸覺、聽覺等感覺。人類行走在虛擬現(xiàn)實(shí)世界中的每一步，每一個動作，看到的東西，摸到的感覺，甚至聞到的氣味，聽到的聲音，都將是未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要攻克的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

    其三，學(xué)科交叉。理論上來說，一個虛擬現(xiàn)實(shí)世界可以無限大，在技術(shù)上需要實(shí)現(xiàn)在有限空間內(nèi)走遍無限空間的目的，這其實(shí)已經(jīng)進(jìn)入了神經(jīng)科學(xué)的范圍，即如何讓人的五官產(chǎn)生感知錯覺，并利用這種錯覺來實(shí)現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實(shí)世界的互動。

    要做到這些，除了作為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)學(xué)科、數(shù)學(xué)、心理學(xué)、社會學(xué)等都會被納入。而這種“造夢”對人的神經(jīng)損害程度有多嚴(yán)重？會不會讓人在真實(shí)現(xiàn)實(shí)世界里產(chǎn)生幻覺？這些問題都需要在未來小心解答和防范。

    終極狀態(tài)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)意味著人類嘗試進(jìn)入“上帝禁區(qū)”，最終或?qū)⒏淖冋麄�世界的基礎(chǔ)。對這一切，我們期待它，同時帶著敬畏之心。