伴随着《阿凡达》款款走来的，是人类对信息环境的主载。自从人类处理信息的方式进入数字化以来，计算机的快速发展，已经彻底改变了整个信息载体和传输模式。与此同时，人类孜孜不倦地致力于建立一个三维的、视频、声音甚至虚拟交互等多种信息形式的立体信息空间，以便实现在立体空间的真实信息交流。虚拟现实，在人类内心渴望的推动下，经过几千年的文明发展和科技积累，终于到了成熟并全面突破的时刻。

虚拟现实产业链

自从人类处理信息的方式进入数字化以来，计算机的快速发展，彻底改变了整个信息载体和传输模式。但仔细分析从原始图画、到文字再到移动互联网的多媒体音视频，绝大多数的信息表现形式，依然是平面的、二维的。

但是实际看来，人类又是一个立体的三维生物，这个客观世界的一切也都是三维的。人类能够依靠自己的感知，全方位的获取信息，在三维化的真实空间中学习与交流。

人类的真实的三维的认识能力，和现在二维的平面的信息展现，是存在很大的矛盾的。人类被排斥在计算机为主体的信息处理环境之外，而且较难以直接理解信息处理工具的处理结果，更难以把人类的感知能力和认知经验，与计算机信息处理环境直接联系起来。

而在移动互联网全面改变人类生活的时代，人们迫切需要改变现有的数字信息二维化的局限，突破现有的只能处理单纯数字信息的限制，建立一个三维的，视频、声音甚至虚拟交互等多种信息形式的立体信息空间。

这其实一直是人类的科技幻想之一。如果没有内心的渴望，人类也不可能创造和发明出电话和电视等现代工具。

因此，虚拟现实一直是人类追寻的目标。而经过几千年的文明发展和科技积累，可以说，现在已经到了成熟并全面突破的时刻。

在科学的定义上，虚拟现实，是由高性能计算机生成的，通过视、听、触觉等信息传播手段作用于用户，使之产生身临其境感觉的一种交互式信息仿真。通过虚拟现实，人类不但可以从外部观察信息处理的结果，而且能通过视觉、听觉、嗅觉、交互手势等多种形式，达到一种身临其境的信息环境中去。

虚拟现实，是可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它可以包容下多种信息的多维化的信息空间，人类的感性认识和理性认识能力，都能在这个多维化的信息空间中得到充分的发挥。

为什么说虚拟现实是建立于高性能计算机之上的呢？因为虚拟现实背后所需要的大量数字计算和画面构建，包括实时的交互反馈，都是信息处理的黑洞。要创建一个能让参与者具有身临其境感、具有完善地交互作用能力的虚拟现实系统，在硬件方面，需要高性能的计算机硬件和各类先进的传感器；软件方面，也需要特别先进的处理平台，还要有成熟的画面生成和空间三维的建模能力。

由于计算机从诞生之日起，就在科学技术应用中得到广泛使用，所以也存在了很多半交互或视频画面处理的子系统。

一般来说，虚拟现实技术演变的发展史，大体上可以分为四个阶段：20世纪50年代至70年代，是VR技术的准备阶段；80年代初至80年代中期，是VR技术系统化、开始走出实验室进入实际应用的阶段；80年代末至90年代初，是VR技术迅猛发展的阶段；90年代末至21世纪初，是VR技术逐步由军用走向民用的阶段。

第一阶段，是实现了有声形动态的模拟，这个时期大概是从计算机诞生到20世纪70年代。1965年，美国MortonHeileg公司就开发出一个名为Sensorama的摩托车仿真器，不仅具有三维视频及立体声效果，还能产生风吹的感觉和街道气息，实现了视频、音频和交互的初步探索。1968年，哈佛大学组织开发了第一个计算机图形驱动的头戴式显示器显示器（HMD）及头部位跟踪系统，成为虚拟现实技术发展史上的一个重要里程碑，为虚拟现实技术的发展奠定了基础。

第二阶段，开始形成VR技术的基本概念，开始由实验进入实用阶段，在这之后，虚拟现实作为一个全新的概念，得到了科学性的探索和理论研讨，其重要标志是：1985年在MichaelMcGreevy领导下完成的VIEW虚拟现实系统，装备了数据手套和头部跟踪器，提供了手势、语言等交互手段，使VIEW成为名副其实的虚拟现实系统，成为后来开发虚拟现实的体系结构。其他如VPL公司开发了用于生成虚拟现实的RB2软件和DataGlove数据手套，为虚拟现实提供了开发工具。

第三阶段，为虚拟现实全面发展阶段。在高性能计算机步入广泛使用之后，特别是游戏和视频显示技术的迅速进步，虚拟现实的理论得到了进一步的完善和广泛应用，虚拟现实技术已经从实验室的试验阶段走向了市场的实用阶段，对虚拟现实技术的研究也从基本理论和系统构成的研究转向应用中所遇到的具体问题的探讨。不仅出现了各种交互设备，还出现了基本的软件支持环境，用户能够方便地构造虚拟环境，并与虚拟环境进行高级交互。

第四阶段，VR技术在计算机运算能力的支持下，逐步由军用向民用领域过渡。

而当下，应该说是处于最革命性的第五个阶段。因为虚拟现实所需要的各个基础科技，都差不多到了成熟和突破的重要时刻。

还记得曾经轰动一时的谷歌眼镜吗？那个革命性的产品，其实就是高新科技的集大成者。光学、操作系统、交互系统、计算能力、移动化，这些技术的突破，也是虚拟现实技术能够在今天得到迅速发展的原因。

实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、高速的视频处理技术、高速移动互联网技术、人工智能反馈系统等，这都是人类科技全面发展的技术成果。

而在虚拟现实这一科学范畴中，也建立了明显有别于其他技术的几个重要特征。

目前，业内普遍认可的虚拟现实，具有以下三个特征，即沉浸、交互、想象。英文单词恰好是三个“I”：“immersion”、“interaction”、“imagination”。

在某种程度上，这三项基本原则或特征，很像科幻作家阿西莫夫提出的“机器人三项原则”，具备超越时代的伦理特征。但也正因为如此，才能更加符合未来虚拟现实带来的社会挑战。

沉浸性（immersion），是指用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。

称为虚拟现实的，必然是指用户戴上头戴式显示器显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。用户与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。虚拟环境中，用户一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。

交互性（interaction），是指用户对模拟环境内物体的可操作程度，以及从环境得到反馈的自然程度。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，用户通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。计算机能根据用户的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。

因此，虚拟现实基本上都试图抛弃传统的键盘、鼠标等交互工具，而是通过特殊头戴式显示器、数据手套等传感设备进行交互，目前最新的研究方向，是通过特定的动作捕捉功能，能够判别用户手势，并领会意图。

多感知性（imagination），是指虚拟现实的设备，具备初步的人工智能逻辑分析能力。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，用户在虚拟环境中通过人机交互，可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。

总之，虚拟现实的作用，是为了扩展人类的认知与感知能力，建立一种身不能至也能实际体验的一种高级的信息交流。

虚拟现实，是人与技术完美的结合，也是计算机图形学和人工智能技术发展的最高新尖的应用。利用虚拟现实技术的手段，使我们对所研究的对象和环境获得“身临其境”的感受，从而提高人类认知的广度与深度，拓宽人类认识客观世界的能力和维度，能够更快更好地反映客观世界的实质。

根据虚拟现实的这三个特征，就可以把目前虚拟现实的技术发展方向也进行科学的划分。

根据目前的发展来看，最常见的虚拟现实分类标准，是按照其功能高低来进行划分：桌面级虚拟现实系统（desktopVR），沉浸式虚拟现实系统（immersionVR），分布式虚拟现实系统（distributedVR），增强现实型虚拟现实系统。

最简单的虚拟现实，其实就很像现在的无人机遥控指挥员，这是相对成熟的虚拟现实的实际应用。而未来的科技，应该具备全息数字技术、全实时交互，甚至达到人体做梦般的感官和感触。

桌面级虚拟现实系统，是利用一般性能的计算机，实现简单的仿真，计算机的屏幕作为参与者或用户观察虚拟环境的一个窗口，各种外部设备一般用来驾驭该虚拟环境，并且用于操纵在虚拟场景中的各种物体。

这种方式，就非常符合无人机远程观察和控制的交互系统。由于桌面级虚拟现实系统可以通过桌上型计算机实现，所以成本较低，功能也比较单一，主要用于计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、建筑设计、桌面游戏等领域。

沉浸式虚拟现实系统，就增加了很多人体交互设备，比如360°的头戴式显示器等。

这种系统，一般具备了较好的眼球追踪技术，再配以数据手套和头部跟踪器为交互装置，把用户的视觉、听觉和其他感觉带入一个三维立体的体验环境中去，使用户暂时与真实环境相隔离，而真正成为虚拟现实系统的一个“实际存在的人”。

这种情况下，用户可以利用各种交互设备操作和驾驭虚拟环境，带来一种充分投入的感觉。沉浸式虚拟现实能让人有身临其境的真实感觉，因此常常用于各种培训演示及高级游戏等领域。但是由于沉浸式虚拟现实系统需要用到头戴式显示器、数据手套、跟踪器等高技术设备，因此它的价格比较昂贵，所需要的软件、硬件体系结构也比桌面级虚拟现实系统更加灵活。一般来说，大多用于飞行员或宇航员的培训工作。

分布式虚拟现实系统，是指在网络环境下，充分利用分布于各地的资源，协同开发各种虚拟现实系统。分布式虚拟现实是沉浸式虚拟现实的发展，它把分布于不同地方的沉浸式虚拟现实系统通过网络连接起来，共同实现某种用途，它使不同的参与者联结在一起，同时参与一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，使用户协同工作达到一个更高的境界。在目前，分布式虚拟现实主要基于两种网络平台，一种是基于互联网的虚拟现实；另一种是基于高速专用网的虚拟现实。

简单地说，网络游戏的联网式结构，也类似于这种类型。如果在交互和画面方面得到更大提升的话，经典网络游戏CS，也完全可以将全世界各地的军事爱好者，集中到一场虚拟游戏里，进行一场以假乱真的世界大战。

最后一项，增强现实型虚拟现实系统，又称为混合虚拟现实系统，它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，即可减少构成复杂真实环境的开销，因为部分真实环境由虚拟环境代替，又可对实际物体进行操作，因为部分系统就是真实环境，从而真正达到了亦真亦幻的境界。

但这种虚拟现实，和AR（augmented reality，即增强现实，也称之为混合现实）具有很大的相似性。毕竟，AR也是通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，再把真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

目前风靡全球的口袋怪兽游戏，就是AR技术最知名的应用。只是受到技术的局限，AR附加在真实环境之上的，也只是简单粗暴的动画版怪兽而已。

目前来说，虚拟现实最大的问题，还是计算能力。

比如，用户进行位置移动时，计算机能不能立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回，并产生临场感。这里面可能需要达到毫秒级的要求。否则的话，如果虚拟画面都是严重延迟，那么人就会产生严重的眩晕感，造成运动的不平衡。

所以，虚拟现实的技术，集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，每一个方面的发展，都需要达到实用的高性能，其实是对人类整体科技水平提出的一个巨大的挑战。

但目前来说，整个虚拟现实技术，还没有一个统一的认知出现。就像战斗机一样，俄罗斯和美国都根据各自的技术研发特点，给出了不同的技术分级划代的标准。一会儿是五代机，一会儿又是四代机，令人很难分辨清楚。

比如，根据虚拟现实生成的方式，虚拟现实又可以分为基于几何模型的图形构造虚拟现实和基于实景图像的虚拟现实系统；而根据虚拟现实生成器的性能和组成，虚拟现实又可以分为四类：基于PC机的虚拟现实系统、基于工作站的虚拟现实系统、高度平行的虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统；而根据交互界面的不同，还可以分为世界之窗、视频映射、沉浸式系统、遥控系统、混合系统这五类。

虚拟现实，之所以被誉为人类自汽车和计算机之后最伟大的发明，从表面看是彻底改变了人类和真实世界互动的方式，而其实质，是对人类几乎每个方面的技术发展，都提出了苛刻的要求。

一个先进的虚拟现实系统，由很多个模块组成。哪怕是最简单的虚拟现实系统，也要具备以下的几个重点模块。

· 检测模块　检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境

· 反馈模块　接收来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。

· 传感器模块　一方面接收来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。

· 控制模块　对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。

· 建模模块　获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。

如果按照工程需求进行分解，虚拟现实系统的一整套系统是这样运作的：用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其他力觉反馈等信息。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用。

在该系统中，主要采用了动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术及系统集成技术。

然而，这几个方面，恰恰是对科学技术要求最高的地方。人类在中央处理器（CPU）运算能力、显卡画面运算能力等方面，几乎是穷尽全力。

首先，动态环境建模技术，就是对数字运算存在极高要求。使用动态环境建模技术可以获取实际环境的三维数据，并利用获得的三维数据建立相应的虚拟环境模型。该技术是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，采用CAD技术或非接触式的视觉建模技术获取三维数据，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率，但也是要求中最难以达到的。

而实时三维图形生成技术，也是科学高峰。三维图形生成技术的关键，是实时生成并实时显示。如果画面生成远远慢于人类的视觉和行动，就会产生脱节。目前的技术要求是，为了达到实时的目的，在不降低图形的质量和复杂度的前提下，要保证图形刷新率不低于15帧/秒，最好是高于30帧/秒。但是，连一个大型游戏都需要飙到需要水冷的高性能显卡时，可想三维图像生成需要多么强的贴图功能和渲染能力。

虚拟现实的交互能力，主要依靠立体显示和传感器技术。现有的虚拟现实交互技术还远远不能满足系统的需要，虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围都有待提高。

当然，在可穿戴技术成为人类科技研发主要方向的前提下，这一短板或许会有一天得到改善。但由于虚拟现实中包括了大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术变得至关重要。其中每一项，都包括信息同步技术、模型标定技术、数据转换技术、数据管理模型和识别技术等。

目前来说，虚拟现实大概通过这样几种方式和用户互动。一是传感装置，用户可以直接对虚拟环境进行操作，并得到实时的三维显示和反馈信息（如触觉、力觉反馈等）；二是空间跟踪，主要是通过头戴式显示器（HMD）、数据手套、数据衣等交互设备上的空间传感器，确定用户的头、手、躯体或其他操作物在虚拟环境中的位置和方向；三是声音跟踪，利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差等进行虚拟环境的声音跟踪；四是视觉跟踪，使用从视频摄像机到平面阵列、周围光或者跟踪光在图像投影平面不同时刻和不同位置上的投影，计算被跟踪对象的位置和方向。

随着科技的发展，网络世界日益与现实世界重叠。而虚拟现实交互技术将现实彻底地、立体地虚拟化，人们将身在“太虚幻境”中，亲自感受物质生活外的虚拟时空。

应当说，自从2009年3D立体大片《阿凡达》电影在中国取得票房创历史性的新高以来，中国人对于虚拟现实的需求，就上升到了一个新的阶段。针对工业辅助设计的虚拟装配、产品三维化设计等越来越多的应用到中国的工厂。采用虚拟现实技术来建设各种交通工具、飞行器的模拟培训系统已经进入铁路、地铁、航空培训公司的课堂。而基于三维GIS的数字城市、数字国土公共工程，也已经成为国家信息化工程的一部分。

在更接近用户的市场里，虚拟现实的需求就更多了。3D电影的普及，也从一个侧面体现了人们对于三维立体视频的需求。而在商品展览、远程医疗、消费体验等方面，虚拟现实更是具有庞大的应用空间。这十年里，房地产市场一直呈现疯狂的局面，而如果能够给购买者提供全景式的虚拟购买体验，恐怕早就引爆了市场。而与之相关的数字城市、城市规划、楼盘三维可视化等需求也在不断升温。

虚拟现实系统的最大革命性，在于它与用户的直接交互性。在系统中，用户可以直接控制对象的各种参数，如：运动方向、速度等，而系统也可以向用户反馈信息，如：模拟驾驶系统中两车相撞，用户会感觉到震颤，车在抖动。经过不平路面时，汽车会颠簸。这种交互性粗看只是一个技术上的变化，但它出现以后，“以计算机为主体”的看法逐渐被人们所抛弃，大多数人将开始接受“人是信息环境的主体”这一思想。

人类一旦接受了这个伟大的革命，将会彻底改变社会。请相信笔者的这个论断。 B0cC6EwRqXgwXl601uK4sIM2+HyAbIaZjG3dY/oUpDYAp6hOPflZLhhBmGavJhw1