中國工程院院士趙沁平：虛擬現實中的科學技術問題有感
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5月20日，以「科研·產業·融合」為主題的2017CCF青年精英大會在北京國家會議中心舉行。本次大會由中國計算機學會（CCF）主辦，Xtecher協辦。大會邀請了30+位學界大咖，首次曝光12項高精科技，並設有人工智慧、大數據、雲計算、信息安全、綜合領域等5大前沿技術頭腦風暴會。CCF YOCSEF 指導委員會專家、北京航空航天大學教授、CCF會士、虛擬現實技術與系統國家重點實驗室主任、中國工程院院士趙沁平作為特邀嘉賓做了主題為《虛擬現實中的科學技術問題有感》的分享。
5月12日晚，勒索病毒「WanaCrypt0r 2.0」席捲全球，它可以讓被感染的電腦在10秒內鎖住，文章被加密無法打開，至今仍無法被解密。全球至少150個國家和地區，包括醫院、學校在內的許多個人用戶、企業及政府機構都遭受了蠕蟲攻擊。
幸運的是，此次病毒高發時間是北京時間周五晚上，給我們留出了足夠的應對時間。但本次襲擊也暴露了我們在網路安全防範上存在的嚴重問題。
以下根據演講實錄整理：
各位年輕的朋友，今天非常高興能夠和計算機界的青年精英在一起研討問題，共享感悟。來之前主辦方告知要開這樣一個大會，希望讓我來發言，我說什麼主題？主辦方說主題是：如何做有價值的科技。在半個小時的時間裡談如何做有價值的科技，我是不行，我只能談一些體會，但是有人可以，誰可以呢？他一定是公認的有價值的科技人才，同時具有哲學思想，善於歸納，能夠用幾句話把如何做有價值的學問歸納出來。他就是愛因斯坦，我們來看看愛因斯坦這樣的大人物是怎麼說的。
首先是好奇心，我們思想的發展某種意義上來自於好奇心。愛因斯坦說：「我沒有特別的才能，只有強烈的好奇心，永遠保持好奇心的人是永遠進步的人。我從事科學研究是出於一種不可遏制的，想要探索大自然奧妙的慾望，別無其它動機。」
二是想像力，想像力比知識更重要，想像力是科學研究的實在因素。邏輯會把你從A帶到B，想像力能帶你去任何地方。愛因斯坦表示，學習知識要善於思考，思考，再思考，我就是靠這個學習方法成為科學家的。
「我沒有什麼特別的才能，不過是喜歡尋根究底地追究問題罷了。不是我聰明，只是我和問題周旋得比較久，堅持不懈才是天才。」
「人們把我的成功歸因於我的天才，其實我的天才只是刻苦罷了。人的差異在於業餘時間，業餘時間能成就一個人，也能毀滅一個人。」比爾蓋茨也說過這樣的話，對真理和知識的追求並為之奮鬥，是人的最高品質之一。
愛因斯坦把他做學問和自己的感悟講得非常清楚，我認為他講得非常好。從他講的這些內容來看，我有一些個人的感想和體會。
人類的創新的動力到底有哪些？從愛因斯坦的總結來看，人類創新動力源自於他的兩大本能，一是好奇心，二是想像力。
好奇心驅使我們想要了解他人的隱私，自然的奧秘，這是人的本能，這是好奇心。比如，我們科學家在探索追求自己的奧秘，自然界的秘密。人和動物都有生存的慾望，什麼樣環境更好，這源於人的想像力。動物有智力，但是想像力只有人才有。好奇心驅動了科學探索，發現自然規律，而想像力包括生存慾望，就是改造生存環境的想像力，能夠驅動技術發明，改造自然環境。
無論是好奇心的對象還是改善生存環境的對象，都有對象，對什麼好奇？你的好奇來源於什麼，你改善生存環境的對象來源於什麼？大體上有這麼三類：1、對已有的知識好奇。2、好奇的對象是自然界。3、人類社會對象，還有改造環境的對象。首先是已有的技術和設備，另外自然界的對象以及人類社會的對象。
不同的來源是他感興趣的對象，或者好奇的對象，或者是你想改變它的對象，它的不同來源取決了創新的興趣。如果你的問題來源是已有的理論和知識，或者已有的技術和設施、設備，這是問題的來源。我們現在絕大多數從事的科學研究，包括我們所指導的博士生、研究生，絕大多數的問題來源都是在這個裡面。這也是一個非常好的問題來源，它可以改進完善已有的理論和已有的技術，達到創新的成果，使科技、社會不斷進步。還有問題的來源，是直接來源於自然界以及人類社會的對象，一般的原始創新類都是來自於這一類。
作為一個從事科學研究的人，我是從事虛擬現實這方面的研究。90年代初期，我在1993年以前從事人工智慧研究，後來1993年到美國學習。我當時到美國想尋找人工智慧的背景，當時人工智慧還處於低潮，人工智慧幾乎沒有太多的應用，當然在一些領域比如說機器各個方面有一些，但是沒有像現在人工智慧一樣應用這麼廣泛。到美國以後看到它的虛擬環境，比如：虛擬戰場環境，有一些坦克的行駛路線，有路徑規劃以及避障，就做這個人工智慧，還是圖象建模等。我回國以後，一直從事虛擬現實的研究，到2010年左右思索虛擬現實當中的問題，歸納總結十個問題上，這十個問題發表在ACM上，以下是這十個問題的題目：
1、現實世界所有的事物是否都是可數字化建模的？因為虛擬現實首先要解決的問題是建模，是不是所有事物都可以建模？
2、事物及其建模的複雜性是否可以度量，如何度量？這就是模型的複雜性，像我們幾何模型，它的目前複雜性通過幾何的面片，我這個是幾千萬個，我這是幾百萬個，其他的模型，比如說物理模型等，是不是還有度量的測度，這是從當時的認識提出這樣的問題，就是讓我的學生回答，讓博士生們回答這個問題。
3、模型的可行性。
4、是否存在著模型相似性度量方法。
等等……
我一共提了十個問題，這個問題的來源是已有的理論和結論。
研究了七、八年之後，我有一些研究成果已經到了可以產業化的地步，所以又有了很多新問題，我今年又歸納總結了十個問題，這是發表在今年的計算機科學中文刊上的問題。
第一個是VR頭戴的顯示輸入與交互，在座可能都戴過VR頭盔，VR頭盔是全封閉的設備，那麼怎麼輸入？因為它是全封閉的，我們看不到實物，VR頭盔裡面也看不到人的肢體，所以它的輸入是一個問題，更么如何更好以及便捷的輸入？還有如何在VR頭盔裡面體現人的肢體，這是需要研究的。大家看這十個問題，基本上都是來源於現有的設備、現有問題、現有裝置。對已有問題理論的來源，比較多地轉到現有技術和設備產生的問題來源，更接近於實際，更接近於實用的來源。
目前主要研究的是人體虛擬孿生。目前的建模以後就是固定的，比如說一棵樹、一個房子建模模型建好就是這樣，虛擬孿生是可以進化，隨著你的生長，也可以進行成長，就是在數字化的時候，就是孿生。對真實人體進行多靜態多雲數據採集，並通過幾何物理生理和智能的建模，構建成的一個數字化人體。
首先從人體的時間尺度和空間尺度都是跨度非常大的，空間尺度可以從微米到到米，時間尺度從毫秒到年以及百年，更不用說還有人的智能，以及對人智能的建模。當然它的建模也有很多科學問題，由於時間關係不展開講了。剛才所說的解剖學的建模，還可以從中醫角度講虛擬人體。人體多尺度單元生理生化模型和人腦及其智能模型，或者人的中醫信息學，可以說虛擬人體是虛擬現實的終級目標。如果把虛擬人體建立起來了，那麼虛擬現實什麼都可以建了。
我們的目標：孩子出生以後，有一個完全等同的數字化虛擬孿生伴隨其同步成長，作為其終生的檔案和醫療試驗體。你做手術可以先在虛擬人體上做，然後再給人體來做。
前後十個問題，前十個問題大多數是已有的理論和知識；後十個問題，大多數是已有的技術和設施，這是個人本身從事研究問題來源的過程。
還有就是人體虛擬孿生，直接對自然現象，直接對人體，這個有可能產生原創性的成果，我和國外的專家進行討論了，他們基本上在同一個級，而且我們還多一個中醫方面，非常有可能作出原創性的成果。
有了問題來源以後，如何切入思考？我談一下個人的體會。如果問題來源是已有結論，我給我的學生講如果你的來源是看文章也好，看文獻也好，首先是抱著懷疑的態度，就認為他有問題，抱著這個態度來看文章和文獻的。懷疑他的正確性，或者對它的作用不滿意，認為他有局限，抱著懷疑的態度看已有的結論。對已有的理論或者是結論懷疑，尋找它們和客觀實際不符或者矛盾之處，指出存在的問題，推翻結論，這本身也應該算是一種創新。就是尋找反例，只要你找到反例，它這個結論就不行了。
簡單舉一個例子，在座大家都知道在北大的馬希文教授，他當年做的工作非常好，在美國不幸英年早逝。馬老師他想突破圖靈計算，從理論上突破，而且他還研究了一套，就是圖靈系統上又增加了一套功率。這是一個可計算序列，如果存在極限的話，這個極限也是一個可計算函數。一個可計算函數的序列如果存在計件，這個計件也是可計算的函數。但是我看了以後覺得圖靈計算不容易突破的，這個突破我總是不敢相信。我覺得再自然，也是有問題的。我就取了一個不可計算的函數，把不可計算的函數定義都是無限的，把這個定義有限化，限定，成為一個函數，這個函數就是看計算，你定義是有限的，它一定是可計算的。不斷把這個定義擴大，就形成了一個可計算函數的序列，但是它的極限是不可計算。曾經到美國拜訪馬老師，馬老師說確實是有點問題的。首先懷疑他，如果對他已有的結論不滿意。比如說你覺得他的效率比較低，或者是他的適用範圍比較窄，有一種辦法就是把他的演算法適用範圍給縮小，一般縮小的演算法適用演算法，一般來說效率可以提高。相反，還有歸納方法，泛化的方法認為這個作用適用面太窄，擴大它的適用範圍，擴大以後又需要許多證明，這一點辦法比上一種難度大一些。還有一種結合的方法，這是我們學生常常用的一種辦法，針對同一個問題兩種不同的解決方法相結合得到一個新的解決辦法。上面創新力度並不是很大，但是也應該算是創新的一種。
如果問題的來源直接來源於自然界或者人類事物，或者人類活動，這個難度比較大，要獲取數據進行研究創新，我們搞計算機的、模擬模擬等等的範圍。
作為從事計算機研究的工作人員，我們的問題來源有可能是計算機和計算機系統，我們就是要提高計算和計算系統的性能，作為從事計算研究的，計算機科學中的創新目標大致有三個方面：更高效，更聰明，更適人，這是我們從事計算機系統研究永恆的三個目標。當你面對自然，面對人類社會進行研究創新的時候也有一些大體的思維的方式和方法。首先形成概念，形成新的概念，如果要是形成新的概念這是創新的起點，形成新的概念並進行劃分和分類，這也是一個創新的方面，如果形成非常好的概念，進行非常好的劃分，這是很不容易的事情，做研究的領域。對於我們從事計算機研究，對你所研究的對象進行分類，這個分類關鍵在層面，比如說計算和計算相關的類型，比如說數據類型、信息流向進行分類才是在本質上進行分類。
舉個例子，比如說對計算機體系結構的分類，指令流、數據流的數據，這就是從指令流以及數據流的流向進行劃分的。還有一種對體系結果的劃分，是以指令的驅動方式，比如說控制驅動，數據驅動進行指令上的分類。形成概念，對你所研究的對象形成了新的概念，進行了它的劃分和分類，這是創新研究的起點。比如說類比法，就是聯想。參考與當前研究對象具有相似性的已有對象的有關另論，將其方法平移過去，這也是有很多的這些方面的類比，獲得靈感或者是動物的一些先例，都有這樣的例子。還可以嘗試對稱和反向思維，就是反著來，你這樣考慮我就是反著考慮。自然界很多事物都是對稱的，是矛盾的，這是普遍的。比如說你說是數據驅動，我對指令驅動，對計算機的驅動是反著的，這樣的事例都有很多。
發現結構和尋找演算法，順序，你的論意沒有結構就沒有高效演算法，如何發現這個數據的結構是非常重要的。
尋找特殊點，咱們都講大數據，找到大數據的共性、特徵和相關性，也有許多小數據，特別是特殊點是非常重要的，特別是對於我們科學研究，面向自然對象來說，比如說極值點、臨界點、奇點和不動點等等，這些點往往有著和其他點不同的特徵和屬性。發現這些點的話，很有可能導致創新。
人臉識別，應該有人臉肌肉的拉動，來作出各種表情，人臉的肌肉點是動點，我們的穴位點，人臉上的穴位點是不動，能否把人體和穴位點聯繫起來是值得考慮的，這些上面都有它的特殊性。如果從這些方面可能能夠發現一些意想不到的結果。
發現基本元素，構成你所研究對象的基本元素，這是原始創新的途徑。比如說三原色加上灰度變化可以構成所有的色彩，點線面加上拓撲變換可以構成所有的幾何圖形。現在有人找人的基本味覺，如果找到基本味覺的話，這個虛擬現實裡面的味嗅覺的交互可以實現。現在找到了七個基本味道，七個基本味道可以組合產生所有的味道。
模型化，這也是我們搞計算機進行創作的方法。
模擬人的思維方法，我們計算機就是代替人腦，人工智慧就是干這個事情，怎麼模擬人的思維。比如說人的歸納推理，人的類比推理能力，現在機器學習就是研究這些方面的。
工具化與晶元化，怎麼樣把這些演算法成為軟體工具，再做成晶元，這也是我們技術方面的創新。
可以嘗試有計算理論來解釋所遇到的所有問題，用計算解釋所有的事情。
剛才談了由十個科學問題所想到問題的來源，現在主要確定虛擬人體的目標，從事研究問題來源也好，從事的對象也好，目標也好，相比之前我們有了很大的發展。所以在繼續跟蹤國際先進的科技的同時，完全有可能越來越多的有中國自己的原始創新成果。
當然，科技創新還是沒有捷徑的，需要多閱讀、多體察、多交流、多思索。堅持堅持再堅持，某一天你就會產生靈感，做博士論文也是這樣，看了大量的東西，思考了大量東西某一天發現有感覺了，而且這個時間可能需要比較長的時間，有可能需要幾年的時間。
堅持非常重要，我帶最後還想說，動物也是這樣。從進化的角度上，比如說熊貓，應該是吃什麼東西，它吃的東西越多越好，這個熊貓不是的，偏偏只吃一種竹子，還有蠶也只吃桑葉，這個進化角度不適合，偏偏就是這個，就是堅持，我就吃這個。堅持到最後，熊貓成了國寶。
在座的青年精英們一定在你的理想以及目標上不斷堅持，最終會成為我們國家的棟樑之才，謝謝各位。
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封面攝影：戚宗濤 排版：陳光 校對：小生生
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