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【科技评论】美国虚拟现实技术发展现状、政策及对我国的启示

发布时间: 2015-08-21 作者: 战略前沿技术

  

  

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术,是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感


虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术,是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种技术而发展起来的综合性技术。


根据IEEE(电气和电子工程师协会)的定义,虚拟现实是指在视、听、触、嗅、味觉等方面高度逼真的计算机模拟环境,用户可与此环境进行互动,产生身临其境的体验。VR技术起源于1965年Ivan Sutherland在IFIP会议上所作的“终极的显示”的报告。20世纪80年代美国VPL公司的创建人之一Jaron Lanier正式提出了“Virtual Reality”一词。


VR技术兴起于20世纪90年代。2000年以后,VR技术整合发展中的XML、JAVA等先进技术,应用强大的3D计算能力和交互式技术,提高渲染质量和传输速度,进入了崭新的发展时代。VR技术是经济和社会生产力发展需求的产物,有着广阔的应用前景。为了把握VR技术优势,美、英、日等国政府及大公司不惜巨资在该领域进行研发,并显示出良好的应用前景。


2美国虚拟现实技术发展现状及相关政策

2.1美国政府虚拟现实技术资助及研发现状


(1) 国家科学基金会
国家科学基金会(NSF)成立于1950年,是美国科技体系中的一个重要机构。NSF下辖7个学部。其中计算机、信息科学与工程学部(CISE)资助的VR技术项目最多。该学部下设三个处,每个处下设若干核心计划,支持某一领域的科研项目,其中与VR技术最相关的是人机互动计划(HCI)和以人为中心的计算计划(HCC)。人机互动计划支持对人机互动系统的设计和评估研究。以人为中心的计算计划的研究对象覆盖各种计算平台,设备规模从单用户设备到大型异构系统。这些研究具有高度的跨学科特性,因而经常得到NSF其他计划的联合资助。国家科学基金会的研发经费总体呈上升趋势,CISE每年的平均研发经费约为5亿美元①。由于虚拟现实具有较高的学科综合性和广泛的应用领域,NSF的其他学部也都资助与VR技术相关的项目。资助项目较多的有工程学部(ENG)下设的产业创新与合作处(IIP)和民用、机械与制造创新处(CMMI)以及教育与人力资源学部(EHR)下设的大学本科教育处(DUE)。


(2) 美国航空航天局
美国国家航空航天局(NASA)成立于1958年,是世界上最大的空间开发机构。NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统,空间站VR训练系统,以及可供全国使用的VR教育系统。NASA下辖10个研究中心,其中支持VR技术研发最多的是艾姆斯研究中心(ARC)。艾姆斯研究中心是美国信息技术的领先研究机构之一,年度预算6亿美元(2008年),研究重点是高性能计算、网络技术和智能系统。其中与VR关系最为密切的是中心下设的探索技术理事会下的人机综合处(HSID),该处主要研究领域为虚拟航空建模仿真、平视显示器、虚拟环境界面等。HISD的研发工作主要由航空研究任务理事会(ARMD)和探索系统任务理事会(ESMD)资助。每个理事会下设若干研究计划,资助HISD研发的计划有空域系统计划、航空安全计划、基础航空计划、星座计划、人类研究计划等。艾姆斯研究中心开展了一系列的虚拟现实研究项目,如“虚拟行星探索(VPE)”的实验计划;设立未来飞行中心(FutureFlight Central),利用VR技术评估跑道安全等。


(3) 国防部
美国国防部(DOD)主导美国国防科研。二战后,国防科技在美国的科技创新体系中长期占据主导地位,其所获得的联邦政府科研投入一直占联邦科研经费总额的50%左右。美国国防部非常重视VR技术的研发和应用。VR技术在武器系统性能评价、武器操纵训练及指挥大规模军事演习等方面发挥着重要作用。国防高级研究计划署(DARPA)在美国军方的科研活动中占据重要地位。1983年,DARPA和美国陆军制定并实施了SIMNET计划。从1994年起,DARPA和美军大西洋司令部(USACOM)联合开展了“战争综合演练场(STOW)”的研发。从2003年起,DARPA启动DARWARS项目,加速新一代训练系统的研发和部署。


除DARPA以外,美国军方的VR技术研究机构还有:美国空军技术学院、美国海军研究生院及美国陆军研究所等。美国空军技术学院主要研究人类因素的检测、计算机图形学以及与大规模分布综合环境应用有关的人机交互问题。美国海军研究生院下属的图形和图像实验室进行了大规模虚拟环境的开发与应用研究。其研究目标是为基于网络化虚拟环境的交互仿真开发低价格模拟器。陆军研究所从事与虚拟环境相关的行为科学和计算机科学两方面的研究,在用于战斗训练的仿真电子战场的应用中发挥着重要作用。


(4) 其他部门
美国能源部(DOE)为改善运作模式、节省研发经费和时间积极发展VR技术。能源部1995年启动了“高级仿真和计算计划”,旨在帮助能源部用计算机仿真代替传统的实验方法。美国卫生与福利部(HHS)下属的国立卫生研究院(NIH)进行了一系列VR技术的研究。早在1986年就着手开展“可视人计划”,应用于诸多领域。另外,国立卫生研究院还资助其它科研人员进行VR技术研究。2008年国立精神卫生研究所应用VR技术研究治疗创伤后应激综合征(PTSD),取得良好效果。同年伊利诺伊卫斯理大学的研究人员获得资助,应用VR技术研究人们的性行为选择,以降低艾滋病病毒(HIV)的传播。此外,联邦航空局(FAA)、教育部(ED)甚至一些州政府也都有开展VR技术研发的机构或计划。联邦航空局下属的民用航天医学研究所(CA-MI)开发了首个VR空间定向障碍示范器(VRS-DD)。教育部资助了一些虚拟现实的研究项目,比如培训系统的开发。美国加州政府则将VR技术作为重要应用写入宽带网络发展计划中。


2.2美国大学虚拟现实技术研发现状
高校是推动虚拟现实技术基础研究的重要力量。北卡罗来纳大学(UNC)计算机系是进行虚拟现实研究最早最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。麻省理工学院(MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋,这些技术都是VR技术的基础。1985年MIT成立了媒体实验室,进行虚拟环境的正规研究。媒体实验室建立了一个名叫BOLIO的测试环境,利用这一环境,MIT建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。


密歇根大学(University of Michigan)在80年代成功开发了基于符号表示和规则推理的Agent建模环境Soar项目,后来被广泛应用于人工智能、行为建模和人机接口等方面的研究。Soar项目通过提供改进了的空军仿真兵力来扩充LORAL MODSAF。这一计划将使美国国防部在虚拟仿真战役中具有智能化的时态推理能力、多目标管理和传感能力,使管理和操纵敌方兵力的人员减至最少。华盛顿大学(UW)的人机界面技术实验室(HITLab)在新概念的研究中起着领先作用,同时也在进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。HIT将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。伊利诺斯州立大学(UI)研制出支持远程协作的车辆设计分布式VR系统,不同国家和地区的工程师们可以通过计算机网络进行实时协作设计。乔治梅森大学(GMU)研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的远程沉浸实验室采用实时建模和远程传输共享的方法开发了远程沉浸式交互系统。


2.3美国企业虚拟现实技术研发及应用现状
企业是推动VR技术应用和产业化的重要力量。IBM公司把互联网和VR技术作为正在兴起的商机,投入上亿资金资助研发。其推出的Bluegrass是一个虚拟现实应用程序,能够让用户建立虚拟的会议室。IBM 2008年启动的“Sametime 3D”项目,将虚拟世界整合到Lotus Sametime即时通讯与协作应用软件。IBM还与故宫博物院合作推出“超越时空的紫禁城”。这是中国第一个在互联网上展现重要历史文化景点的虚拟世界。微软公司开发了诸多VR技术:Photosynth软件能够让用户使用一组有相似性的照片生成一个3D场景;Silverlight插件支持3D效果,并能使用显示卡的GPU硬件加速功能来提高显示质量;3D体感摄影机Project Natal导入了即时动态捕捉、影像辨识、麦克风输入、语音辨识、社群互动等功能;World-Wide Telescope基于Web 2.0可视化环境,是Inter-net上的一个虚拟望远镜,用户可以对图像进行无缝缩放和平移;Virtual Earth 3D的使用者可以浏览美国主要城市的全方位3D图片。施乐公司(Xerox)研究中心在VR领域主要从事利用虚拟现实通信建立未来办公室的研究,并设计一项基于VR使得数据存取更容易的窗口系统。


此外,波音公司的波音777运输机采用全无纸化设计,利用所开发的VR系统将虚拟环境叠加于真实环境之上,把虚拟的模板显示在正在加工的工件上,工人根据此模板控制待加工尺寸,简化加工过程。需要强调的是,美国企业的VR技术不单着眼于研发,许多VR商品以面向市场、面向用户为基础,其商业化应用取得了良好的效果。


2.4美国虚拟现实技术领域相关政策法案和计划
由于VR技术具有较高的学科综合性,因此与之相关的政策法案和计划分散于信息技术相关法案的诸多方面。几届政府的科技政策虽有所不同,但在信息技术领域都给与了大力支持。克林顿政府于1993年宣布实施的“国家信息基础设施(NII)”计划为分布式虚拟现实的研发和应用奠定了基础。为确保美国在21世纪信息技术上的领导地位,并尽快抢占未来的高科技市场,克林顿总统在2000年财政预算中拨出3.66亿美元直接用于信息技术领域的研究。


这一行动计划命名为“面向21世纪的信息技术(简称为I)”,将重点支持三大信息技术领域的研究。其中,I行动计划在科学工程领域的高性能计算技术研究中就包括了各种图形图像处理、计算机模拟等虚拟现实技术。布什政府的科技政策与前任政府保持了一定的连续性,同时进行一系列的调整,更加强调要大力推进高新科技尤其是数字信息科技。布什政府大力支持“网络与信息技术研发计划(NITRD)”,平均每年资助额达24亿美元。在NITRD计划众多成果中,计算机模拟和可视化成果对科研和企业创新产生的影响最为深远。它们使研究人员能够对非常复杂的现象进行检查和试验,并将复杂的动态过程可视化,如龙卷风的生成过程。奥巴马在竞选时就把科学技术议题放在重要的位置,集中体现在《投资美国的未来———科学与创新计划政策》中。就任后,奥巴马提出了多项与信息技术有关的经济刺激提案。2009年4月,奥巴马正式宣布任命查普拉(Aneesh Chopra)担任首位国家首席技术官,其主要职责之一是推动美国政府更好地使用信息技术,从各个层面深化信息技术对经济增长和提升国家竞争力的影响。


由于美国没有统一的科技管理部门,故其VR技术的发展计划同样分散于各个部门中。国防部、能源部、国家科学基金会等机构均有涉及VR技术的发展计划。1995年美国国防部制定了“建模与仿真总体规划”,虚拟现实作为其中的关键技术得到重点支持。此后,美国国防部在制定战略规划指南时又对该规划进行了更新。2006年美国国防部发布了“建模与仿真总体规划采购计划”,旨在充分利用建模与仿真技术为国防服务。2000年能源部核能研究咨询委员会(NERAC)制定了“长期核技术研发规划”。明确提出应重点开发、应用和验证虚拟现实计算模型和仿真工具。能源部及其下属实验室在高性能计算和仿真技术上引领全球,该领域将研发针对核能工厂的虚拟现实平台等一系列技术。国家科学基金会在《2006-2011财年战略规划》中指出要“吸引更多公众了解当前的科学研究和新技术……通过互动式和沉浸式的体验激起公众的兴趣,提升公众的科技素养”。这表明国家科学基金会将积极把VR技术应用于教育领域中。2008年2月,美国国家工程院(NAE)公布了一份题为“21世纪工程学面临的14项重大挑战”的报告。VR技术是其中之一,与新能源、洁净水、新药物等技术相并列。并提出这些技术挑战的任何一项一经克服,将可极大地改善人们的生活质量。


3、我国虚拟现实技术发展现状及相关政策

3.1我国虚拟现实技术发展及应用现状
我国VR技术的研究起步于20世纪90年代初。随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展,VR技术得到相当的重视。科技部和国防科工委已将VR技术的研究列为重点攻关项目,国内众多机构都在进行VR的研究和应用,取得了一系列研究成果。国内最早开展VR技术试验的是西安虚拟现实工程技术研究中心。北京航空航天大学是国内最早进行VR技术研究的机构之一,其虚拟现实技术与系统国家重点实验室开发了若干支撑VR理论与技术研究的硬件设备和软件平台。浙江大学CAD&CG国家重点实验室专注于几何、图形和视觉计算理论与算法、虚拟现实、可视分析、基础平台软件和应用系统等方面的研究。北京大学设计了基于PC机的VR系统。哈尔滨工业大学计算机系已经成功地合成了人的高级行为中的动作、语音和语调的协调同步。北方业大学CAD中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一,完成了通讯图像显示系统的多媒体平台及相关音频资料库的建设。上海大学CIMS中心开发了一套基于IRIX的虚拟科技园区环境实时漫游系统。此外还有很多科研院所进行了VR技术的研究与开发。如清华大学国家光盘工程研究中心、西安交大信息工程研究所等。总之,近年来VR相关技术研究取得了快速发展,其技术潜力是巨大的,应用前景也很广阔,但仍存在许多尚未解决的理论问题和技术障碍。


3.2我国虚拟现实技术领域相关政策和计划
中国对VR技术的研发非常重视。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》(以下简称《规划纲要》)中,VR技术被列入信息技术领域需要重点发展的3项前沿技术之一。此外,VR技术也受到国家高技术研究发展计划(863计划)、国家自然科学基金的重点支持。863计划对VR技术的资助主要在信息技术领域和先进制造技术领域。信息技术领域下设4个专题。其中VR技术专题围绕虚拟现实新方法和新技术、虚拟现实学科交叉与融合以及相关应用领域中的关键技术和系统集成技术等开展研究,同时考虑虚拟现实与数字媒体技术的结合。2008年度经费总预算为7000万元,资助了“虚实融合的协同工作环境技术与系统”等项目。


先进制造技术领域也设置了4个专题,其中现代制造集成技术专题与VR技术密切相关,该专题下的数字化设计方法与技术、复杂零件加工与仿真优化等课题均应用VR技术。该专题2008年度安排经费8500万元左右。除了以上两个领域以外,863计划其他领域也有一些课题涉及VR技术。如资源环境技术领域的“数字化采矿关键技术与软件开发”重点项目、新材料技术领域的“新一代激光显示技术工程化开发”重点项目等。国家自然科学基金是我国支持基础研究的主渠道之一,根据不同学科分若干处进行管理。其中信息科学二处主要资助计算机科学技术及相关交叉学科研究项目,虚拟现实是其重要资助领域之一。另外,国家自然科学基金还资助了“虚拟现实中基于图像的建模绘制”、“图像处理与重建中的几何分析”等与虚拟现实相关的重点项目和重大项目。此外,虚拟现实理论与方法研究是国家重点基础研究发展计划(973计划)在信息领域的重点支持方向之一。“十一五”国家科技支撑计划也支持了“虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范”等相关项目。


4美国虚拟现实技术发展对我国的启示

4.1制定虚拟现实技术发展规划,完善政策体系
通过对美国VR技术发展现状和政策的了解,不仅美国信息技术领域的诸多重大战略规划均涉及VR技术,而且政府下属的各大部门均制定具体的VR技术的发展计划,从上到下形成粗细得当、层次合理的政策体系。我国《规划纲要》、863计划等重大发展规划中都将VR技术列为重点发展和资助领域,但对VR技术的某些重点领域和技术热点领域缺少具体的发展计划,因此,在发展和应用VR技术方面,应结合本国国情不仅从战略高度重视技术的长远规划,而且需从策略层面对具体的技术领域进行布局和计划。


4.2注重虚拟现实技术的应用,促进产学研结合
美国非常注重VR技术的应用,由于虚拟现实在训练、实验等方面具有重大的应用价值,所以VR技术往往最先应用于国防、航天等部门。在这些部门取得良好的应用效果后,促使VR技术向其他部门扩散。医疗、教育、娱乐等领域为VR技术的应用提供了广阔的空间。美国VR技术也是产、学、研结合的典范,政府研究机构与企业、高校展开紧密的合作,并取得丰硕的成果。我国VR技术的应用还存在明显差距,在技术的商业化、市场化等方面十分落后,还没有具体的VR产品面向市场。在VR技术刚刚兴起的今天,我们要加深学科和部门之间的合作与协调,整合力量、优势互补、共同发展,防止重复研发,减少资源浪费,注重技术应用,促进产、学、研结合。


4.3着重政府引导的同时,加强企业创新主体地位
美国VR技术发展模式中,政府与企业的关系基本上是政府引导、企业主导。政府的引导作用不仅体现在其政府下属的各大部门都积极资助VR技术的研发,更重要的是政府通过政策和法律明确了政府的宏观指导作用,运用立法规划的手段对VR的发展和应用予以支持,充分利用自由发展和市场竞争的规则,动员高校、企业及其他机构成为VR技术研发的主导力量,保护和促进企业间的竞争。企业的主导作用体现在不仅为政府筹集巨大资金,而且企业在VR研发和商业化中获取相当的技术和经济效益,为企业发展积蓄力量,增强企业的竞争力。我国在发展VR技术时,企业应该成为VR技术创新活动的主体,政府要建立技术创新支撑体系,着力为VR技术创新活动提供良好的环境,大力扶持VR技术的应用。


4.4遴选重点应用项目,加强经费支持
虚拟现实目前在技术上仍处于探索中。近来,随着因特网技术、基于图像绘制技术、增强现实技术等的进展,虚拟现实又有不少新的成果。纵观美国VR技术的发展,从政府到民间各大研究机构都不惜重金投入VR技术的研发。我国财力有限,应集中经费,开发一些重点应用项目,促进产业化,以产生效益,而不应该分散财力,只做“原型”。国家在安排主要财力开发大型“沉浸式虚拟现实系统”的同时,应给予一定的投入支持各种小型桌面VR系统的研究开发。目前,因特网的应用是一个大好机遇,国外游戏及教育类的系统已占据了大块市场。我们应以应用为目标,大力开发各类桌面虚拟现实系统。


(来源:我的VR公众号,作者:点八中南海

 

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