我国虚拟现实技术的发展趋势

chuntian

目前，各国相继从政府视角提出有关虚拟现实发展规划的顶层设计。

美国：“国家网络与信息技术研发计划”在其2016财年预算中提出了八项研发重点，计划未来一年在投入约41亿美元开展相关研发工作，其中，对虚拟现实所涉及的人机交互和信息管理领域的预算每年占比达20%，在八个领域中位列第二。

欧盟：经费高达800亿欧元的“地平线2020”计划中列出了信息与通信技术领域的37个项目，直接涉及智能人机交互的有4个。

日本：早在2007年就发布了到2025年的科学技术发展路线图《创新25战略》，将虚拟现实等技术纳入其中。

中国：虚拟现实受到了工业和信息化部、科技部等部委的高度重视和专项支持，并取得了阶段性成果。此外，BAT、华为、中兴、海尔、海信、科大讯飞、联想等均制定了相关规划，同时还涌现了诺亦腾、华捷艾米、圣威特、乐相科技、小鸟等一大批专注做VR的创业型公司。

一、虚拟现实的三大发展重点技术领域
——显示、芯片、交互追踪

新型显示领域
以AMOLED、光场显示等技术为代表的高分辨率显示、柔性显示成为VR/AR发展趋势。相较于传统主导的LCD显示，高性能AMOLED显示具备响应速度快、重量低、功耗低、防蓝光、成本下降趋势明显等特点。此外，高性能AMOLED显示在降低眩晕感、能耗、成本、健康风险的同时，提高产品便携性。由于柔性AMOLED 在VR头显减重与便携性方面具备实际意义，未来有望成为进阶重要发展路线。

芯片领域
高性能GPU与5G成为VR计算处理与无线通信方面的发展趋势。由于VR对在高画质下场景的实时建模及渲染能力具备高要求，因此，高性能GPU成为虚拟现实中计算处理能力的核心体现。目前，国际厂商英伟达、AMD、imagination、高通及ARM等均在虚拟现实领域有所布局，频发配套SDK，以提高GPU在VR方面性能表现。对无线传输而言，高分辨率、全视角显示带来虚拟现实高沉浸感的同时，对数据传输带来了不小的挑战。目前，虚拟现实设备主要通过有线方式进行数据传输，随着5G的到来，VR内容所需的超高分辨率、全视角、3D、低延迟等性能瓶颈有望得到很大程度的解决。

追踪交互领域
传感融合与三位注册建模成为发展趋势。多传感器信息融合实际上是对人脑综合处理复杂问题的一种功能模拟。与单传感器相比，运用多传感器信息融合技术解决探测、跟踪和目标识别等问题，增强采集数据可信度及精度、扩展数据采集的空间覆盖率，是数据采集技术的发展重点。目前，英特尔推出的Realsense、微软的Hololens、Google的Project Tango基于一系列摄像头、传感器和芯片，能实时为用户周围的环境进三维建模，从而为VR设备加入类似人类对空间和运动的感知能力。

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二、虚拟现实对产业结构、产业融合与应用服务产生什么影响？

助推产业变革
虚拟现实产业辐射面广，带动性强，从ICT产业“云管端”的结构划分看，VR的影响力不仅局限于端设备领域，考虑到超高清、低时延与360度全景等因素对网络传输的更高要求，虚拟现实将为管设备、乃至云设备市场提供发展动能，这也从侧面解释了思科等网络设备巨头近年来密集收购VR厂商的动因。另外，从ICT产业配套看，虚拟现实将加速上游关键元器件产业升级进程，例如在显示领域，VR加快了OLED在中小尺寸市场对传统液晶屏幕的替代速度。在芯片领域，适用于VR的高端GPU市场持续快速增长。研究表明，自大型机问世以来，每隔十年会出现全新的终端形态，随之而来的是用户或设备数规模提升1个量级，随着智能化、互联网化与社会经济、人民生活的结合日益紧密，虚拟现实有望掀起继智能手机后的新一轮产业发展浪潮。

促进融合创新
虚拟现实是多个产业交叉融合的新兴领域，电子、通信、文化等数个万亿级产业汇聚在一起，塑造出新的发展模式。按照国务院的决策部署，中国要进入创新国家行列并引领创新发展，需要从过去被动跟随为主走向未来创新引领为主。目前，我国已经在高端芯片、新型显示、人工智能、5G通信等领域取得了一定成果，通过对这些领域的组合式创新，以虚拟现实为产业抓手，能够推动不同领域的跨界融合，进而定义新产品与新技术，乃至裂变出颠覆式的新市场和新标准。例如为了改善VR体验，系统时延应低于20毫秒，而实现这一标准创新需要传感采集、GPU渲染、数据传输、近眼显示、软件算法等方面的深度融合。

繁荣服务市场
虚拟现实业务形态丰富，产业潜力大、社会效益强。目前，主要应用于视频游戏、事件直播、视频娱乐、医疗保健、房地产、零售、教育、工程和军事等行业，并正在加速向生活与生产领域渗透。对于大众市场，体验式消费时代为以虚拟现实为特点的主题乐园与零售购物提供了发展空间，例如迪士尼、环球影城已将其用于主题乐园，阿里推出了基于VR技术的“Buy+”购物服务。对于行业应用，虚拟现实全面提升工业协同设计、智能制造能力。宝马计划将在未来汽车设计中采用VR设备。另外，哈萨克斯坦钢铁厂工人在试用VR设备工作后，产出效率显著提升。

三、发展虚拟现实技术还可以怎么做？

一是突破关键技术
聚焦高性能OLED、融合显示、传感融合、GPU、5G、人工智能等关键领域，加快技术突破。加速推进关键元器件国产化进程，研发安全可靠的软硬件解决方案，建议组织光学、电子学、计算机科学等学科的优势单位，联合医学、心理学、认知科学等领域的研究机构，以虚拟现实设备的适人化等为切入点，创新一批具有国际领先水平的自主知识产权技术和产品。 　　

二是加强政策扶持
充分发挥政府在推进产业发展方面的积极作用，结合产业发展重点，加大对技术创新、商业模式创新和服务创新等基础研究与成果转化的扶持力度，逐步构建支持VR创业和产学研用结合的政策法规体系，建立官产学研用紧密合作的成果共享机制，推进新型显示、传感融合、感知计算、无线通信、追踪交互等共性关键技术的交流合作和共享应用，不断优化产业发展环境。 　　

三是建立健全标准与测试验证体系
对接国内外相关标准，考虑人眼的视觉特性与生理安全，建立健全适用于虚拟现实领域，覆盖传感、通信、芯片、显示、交互等关键技术标准。发挥本市技术标杆作用，探索VR产品的测试验证方法，通过对原型产品和系统的开发与测试积累，加快相关关键技术的应用示范，推动相关法律法规的建立与完善，促进VR的产业化发展。 　　

四是加强安全监管
在光生物安全性方面，积极有序开展专业化的安全测试与评估，如眼睛红外辐射危害、视网膜热危害等。此外，为用户提供真实虚拟现实社交体验的同时,对骚扰，网络暴力等进行合理监管。

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四、虚拟现实技术在制造业中的机会

要推进制造强国战略、实现制造业转型升级，离不开新一代信息技术的应用。虚拟现实技术的出现和发展，给制造业研发设计、生产制造、经营管理、销售服务等全产业链创新发展提供了新工具、新方法，也为两化深度融合带来了新抓手、新动力。

五、虚拟现实技术在制造业具有广阔的应用空间

随着虚拟现实技术与产业的共同发展，制造业虚拟现实技术的应用案例不断涌现，应用模式和应用路径也在进一步成熟。比如，在研发环节，虚拟现实技术可以展现产品的立体面貌，使研发人员能够全方位构思产品的外形、结构、模具及零部件使用方案。特别是在飞机、汽车等大型装备产品的研制过程中，运用虚拟现实技术能大幅提升对空气动力学的把握和产品性能的精准度。波音公司将虚拟现实技术应用于 777 型和 787 型飞机的设计上，通过虚拟现实的投射和动作捕捉技术，完成了对飞机外形、结构、性能的设计，所得到的方案与实际飞机的偏差小于千分之一英寸。据统计，采用虚拟现实技术设计的波音 777 飞机，设计错误修改量减少了 90%、研发周期缩短了 50%、成本降低了 60%。

在装配环节，虚拟现实技术目前主要应用于精密加工和大型装备产品制造领域，通过高精度设备、精密测量、精密伺服系统与虚拟现实技术的协同，能够实现细致均匀的工件材质、恒温恒湿洁净防震的加工环境，以及系统误差和随机误差极低的加工系统间的精准配合，从而提高装备效率和质量。一拖集团应用本土企业曼恒数字研发的“数字化虚拟现实显示系统”，打造出虚拟装配车间，可实现 360 度内部全景漫游，既能多角度观察每个装配工位，又能精准跟踪装配工件的生产工艺流程，为我国大型农业装备制造行业发展注入了新鲜血液和强大力量。

在检修环节，虚拟现实技术应用于复杂系统的检修工作中，能够实现从出厂前到销售后的全流程检测，并突破空间限制、缩短时间需要，提高服务效率、拓展服务内容、提升服务质量，将制造业服务化推向新的阶段。例如，美国福特公司联合克莱斯勒公司与 IBM 合作开发了应用于汽车制造的虚拟现实环境，在汽车出厂前就可检验其存在的设计缺陷，并辅助修正，大大缩短了新车研发周期。未来，通过远程数据传输，虚拟现实技术将帮助实现实时、远程、预判性的监测维修服务。

此外，在复杂的、高精度的制造环境中采用虚拟现实技术培训，能够立体展现制造场景，帮助学员通过全方位的感知体验，获取高仿真、可重复、低风险的制造工艺学习体验。与航空业利用虚拟现实技术设计模拟驾驶室训练宇航员的方式相似，利用虚拟现实技术建立虚拟培训基地，有利于制造业从业人员提前熟悉制造场景、提升应用技能。当前，已有许多国内外企业运用虚拟现实技术开展培训工作。例如，英国皇家装甲公司采用虚拟现实技术，对 14.5 吨的新型车辆进行车辆训练模拟，实现了对专用车型驾驶员的操作培训。

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六、虚拟现实技术在我国制造业中的应用

我国在虚拟现实领域已经形成一批科研成果。从应用基础看，北京航空航天大学和一汽公司合作开发的板料成形软件，基本能够模拟车门等复杂覆盖件的冲压成型过程；沈阳铸造研究所开发的电渣熔铸工艺模拟软件已经应用在水轮机组叶片曲面造型中；合肥工业大学开发研制的双刀架数控车加工模拟已应用于马鞍山钢铁车轮轮箍厂。

从应用实践看，航天、航空、汽车等高端制造领域初步应用了虚拟现实技术。中国商飞研发出虚拟现实仿真系统，用于新型民机的预先研究评估和关键技术攻关；一汽、二汽、上汽等汽车公司运用 UG、CATIA、PRO-E 等三维软件进行产品设计已积累多年的经验，具备了应用虚拟现实所需的数据基础。

七、虚拟现实技术与制造业融合面临的问题

由于虚拟现实技术还处于发展与应用的孕育期，我国在制造业领域的应用经验尚不充足，二者融合发展还面临一些问题。

一是应用场景和应用路径尚不清晰
国内企业对虚拟现实技术的特征、应用方法等缺乏基本了解与整体把握，对制造业各环节与虚拟现实技术的结合点尚不清晰，加之应用场景设计缺失，产业标准不统一，难以对工业技术与虚拟现实技术的融合应用形成明确的产业化引导，从而制约了应用范围的拓展。

二是我国制造业自身发展层级不高，致使新技术应用的效率成本难以平衡
目前应用虚拟现实技术的企业主要集中于航空、汽车、仪器仪表等高端制造行业，以及原型设计、精密加工等高端制造环节。我国的低端加工制造占比较大，进入高端制造的行业和企业不多，涉及制造前端原型样机设计、流程仿真的屈指可数，导致企业的应用能力不足、应用意愿不强。

三是虚拟现实行业应用的供应链短板依然明显
除了在虚拟现实相关主控芯片、光学器件、高端传感器等方面存在共性短板外，国内面向工业制造的增强现实模块化产品设计、操作维修、仿真训练等虚拟现实内容和应用供应严重匮乏，缺乏应用开发工具和开发平台，系统集成能力不强。供应链的短板加大了行业融合应用的成本，延缓了推广进程。

推进虚拟现实技术在制造领域的融合应用，需引导制造企业从现有基础和实际出发，分步、有序地进行。第一，推动虚拟现实技术在设计研发、检测维护、操作培训、营销展示等环节的应用，提升辅助设计能力和制造服务化水平。第二，将虚拟现实技术应用于协同制造、远程协作等方面，建立生产过程数据采集和分析系统，实现生产进度、现场操作、质量检验、设备状态、物料传送等生产现场数据的可视化管理，提高制造执行、过程控制的精确化程度。第三，推进虚拟现实在产品全生命周期各环节和企业管理各方面的应用，实现企业设计、工艺、制造、管理、物流等环节的集成优化。

孟云113

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