典型的虚拟现实系统主要有虚拟世界、计算机、虚拟现实软件、输入设备和输出设备5大部分组成。虚拟现实技术的应用正逐步渗透到各个专业领域，如工程设计、计算机辅助设计、数据可视化、航空航天、建筑设计、商业、军事、通信、教育、医疗、艺术创作、娱乐游戏等。

　　本文以三维虚拟现实技术为研究对象，通过对专利文献著录项目数据和核心技术内容进行分析，得出三维虚拟现实技术相关专利申请的关键技术分支、发展现状、专利申请量趋势、主要申请人等信息，希望分析结果对我国相关企业和行业发展提供参考。

　　本文检索截止时间为2011年9月5日，检索数据库包括德温特世界专利索引数据库(DWPI)、中国专利检索数据库(CPRS)等。

　　虚拟现实技术的基本特征

　　可以用3个词语来描述虚拟现实技术的特征，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)、多感知性(Imagination)，三者缺一不可。

　　沉浸性是指参与者作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。交互性是指参与者对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。多感知性是指由于虚拟现实系统中装有视觉、听觉、触觉、动觉的传感及反应装置，参与者因此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。

　　虚拟现实系统的分类

　　按交互和浸入程度的不同，虚拟现实系统可以分为以下几类：

　　1.桌面式VR系统

　　桌面式VR系统仅通过个人计算机来产生三维空间的交互场景，参与者并没有完全沉浸，仍然会受到周围现实环境的干扰。

　　2.增强式VR系统

　　增强式VR系统是把真实环境和虚拟环境组合在一起，使参与者既可以看到真实世界，又可以看到叠加在真实世界的虚拟对象。

　　3.沉浸式VR系统

　　沉浸式VR系统是一种较高级的VR系统，该类系统利用头盔显示器和数据手套等各种交互设备把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，使其真正成为VR系统内部的一个参与者，并能利用这些交互设备操作和驾驭虚拟环境，产生一种身临其境、全心投入和完全沉浸其中的感觉。

　　4.分布式VR系统

　　分布式VR系统是指基于网络的虚拟环境，该类系统是在沉浸式VR系统的基础上，将位于不同物理位置的多个参与者或多个虚拟环境通过网络相连接，并共享信息，从而使参与者的协同工作达到一个更高的境界。

　　根据仿真程度的不同，虚拟现实系统还可分为以下3类：

　　1.仿真性的虚拟现实系统

　　仿真性的虚拟现实系统是根据现实世界的真实物理法则，由计算机将其模拟出来。该类系统中的环境虽然是模拟的，但一切都符合客观规律。

　　2.超越性的虚拟现实系统

　　超越性的虚拟现实系统虽然也是根据真实的物理法则进行的模拟，但所模拟的对象是人们的五官无法感觉到的，或者是在日常生活中无法接触到的。也就是说，该类系统以现实为基础，却可能创造出超越现实的情景。

　　3.幻想性的虚拟现实系统

　　幻想性的虚拟现实系统根本无视客观物理法则，该类系统是完全把凭空想象出来的东西，通过计算机、图像、音响等手段变成可以看到、听到的多媒体作品。

　　虚拟现实系统的关键技术分支

　　笔者根据虚拟现实系统专利申请所涉及的技术，将该领域的技术划分成以下3个技术分支：第一个技术分支是动态环境数据采集、数据输入输出和建模技术，与其相关的专利申请主要分布在国际专利分类号(IPC)G06F 300、G06F 1700及其小组下。第二个技术分支是实时三维图形生成技术，与其相关的专利申请主要分布在IPC分类号G06T 1700 、G06T 1900 、G06T 1500及其小组下。第三个技术分支是立体显示技术，与其相关的专利申请主要分布在IPC分类号H04N 1300、H04N 1500及其小组下。除此之外，还有应用于教学的大量专利申请分布在IPC分类号G09B 900下。

　　虚拟现实技术全球专利申请

　　1.全球专利申请量趋势分析

　　图1显示了三维虚拟现实技术全球专利申请量的历年分布，从图1可以看出，与该技术领域相关的全球专利申请共计1538件。其中，涉及动态环境数据采集、数据输入输出和建模技术的专利申请共有497件，涉及实时三维图形生成技术的专利申请共有618件，涉及立体显示技术的专利申请共有250件，涉及应用于教学方面的专利申请共有74件。2000年之前，该领域全球专利申请量呈逐年增长态势，之后年专利申请量一直稳定在200件至250件之间。

　　2.全球专利申请主要申请人分析

　　图2显示了三维虚拟现实技术全球主要专利申请人的大致情况，如图2所示，在该技术领域的全球专利申请中，申请量最多的是日本索尼公司，共拥有专利申请76件。从这些专利申请涉及的技术来看，索尼公司在上述3个关键技术分支均有专利申请，其中与娱乐、游戏相关的专利申请所占比重较大，最早的一件专利申请提交于1991年。

　　位居专利申请量排名第二位的是韩国三星公司，共拥有专利申请64件，主要是2004年之后提交的，涉及的技术分支包括立体显示技术和三维图形生成技术。之后，位居该领域专利申请量排名榜单的申请人依次是微软公司、IBM公司、朗讯公司、韩国电子通信研究院、诺基亚公司等。微软公司在该领域的专利申请始于1998年，且一直延续至今，在时间分布上较为平均，主要涉及的技术领域为三维图形生成技术和立体显示技术。IBM公司在该领域的专利申请主要集中在2000年左右，大多涉及数据采集、数据输入输出和建模技术等分支。朗讯公司的专利申请也集中在2000年左右，主要涉及三维图形生成技术。韩国电子通信研究院和诺基亚公司的专利申请主要涉及数据采集、数据输入输出和建模技术。

　　笔者经过分析发现，国外申请人在虚拟现实系统的硬件构成方面提交的专利申请相对较多，技术也较为成熟。其中，主要研究领域涉及传感技术(包括运动传感器，三维位置传感器，视觉、力觉和触觉传感器技术)、输入输出设备(如头盔式三维立体显示器、数据手套、多方位体验真实感的传感器和三维声音产生器)等。此外，在立体显示方面，国外申请人致力于研究如何在引入参与者交互、需要动态生成新的图形时，不降低图形的逼真度和复杂程度的前提下，尽量达到实时的要求。

　　除此之外，国外申请人对于在多显示环境下基于虚拟现实系统(即上述分布式VR系统)的搭建也有研究。例如，索尼公司提出了基于笔的直接操纵技术的、在多显示环境下的交互方式，即通过笔在一个显示屏幕上“拾取”物体，且在另一个显示屏幕上“放下”该物体，实现在不同屏幕设备之间传递数据信息。此外，索尼公司还可以利用摄像机识别物体，通过一定的输入设备(跟踪球或键盘)在不同的显示屏幕之间“拾取”和“放下”物体，实现窗口在多个显示屏幕之间的迁移。

　　虚拟现实技术中国专利申请

　　1.中国专利申请量趋势分析

　　图3显示了中国虚拟现实技术专利申请量的历年分布情况，从图3可以看出，我国在该技术领域的专利申请共有235件。其中，涉及动态环境数据采集、数据输入输出和建模技术的专利申请共有76件，涉及实时三维图形生成技术的专利申请共有87件，涉及立体显示技术的专利申请共有14件，涉及应用于教学方面的专利申请共有14件。从图中还可以看出，我国相关专利申请量呈逐步增长趋势，尤其是2007年之后，专利申请量增长较快，2010年达到近60件。

　　2.中国主要专利申请人分析

　　图4显示了三维虚拟现实技术中国主要专利申请人的大致情况，从图4可以看出，该领域的中国专利申请人主要是国内的高校及科研院所。专利申请量最多的是北京航空航天大学和上海交通大学，均为13件。其中，北京航空航天大学是国内最早开展相关领域研究、最有权威的研究机构之一，其专利申请始于2001年，主要涉及三维图形生成技术和数据采集、数据输入输出和建模技术，研究重点为虚拟环境中物体物理特征性的表示与处理，其虚拟现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟环境，实现了分布式虚拟环境的网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时的三维动态数据库、虚拟现实演示环境，还可以实现与其他单位的远程连接。

　　上海交通大学的专利申请最早提交于2003年，涉及的主要技术分支也是三维图形生成技术和数据采集、数据输入输出和建模技术。专利申请量紧随其后的是浙江大学、大连海事大学、上海大学、南京航空航天大学、清华大学以及中国科学院自动化研究所、中国科学院计算技术研究所等。

　　浙江大学国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑实时漫游系统，清华大学计算机科学和技术系主要对虚拟现实和临场感进行了研究，中国科学院计算技术研究所虚拟现实技术实验室主要在虚拟现实、多模式人机接口和人工智能等方面开展了基础性与前瞻性的技术研究，哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成、表情的合成和唇动的合成等。

　　笔者通过分析发现，国内申请主要涉及的技术分支仍是数据采集、数据输入输出和建模技术以及三维图形生成技术，仍偏重于软件的设计与开发，在虚拟漫游系统方面的相关专利申请较多，如虚拟展会场景的搭建等。

　　笔者还发现，近几年，国内申请人在专利申请量上已经超过了国外申请人的申请量。

　　结论

　　虚拟现实技术已经在航空航天、船舶建造与设计、军事模拟、机械工程、先进制造、城市规划、地理信息系统、医学生物等领域显示出巨大的经济、军事和社会效益，虚拟现实技术与网络、多媒体技术并称为21世纪最具应用前景的三大技术。该领域的专利申请，尤其是中国专利申请，近年来正呈现出大幅增长的态势，对该领域的相关专利申请进行研究具有重要的意义。全球主要专利申请人为国际知名的几个大型跨国公司，其技术研究与产业化结合较为紧密。目前，国内申请人仍主要是高校及科研院所，企业申请人较少且分布极为分散。此外，国内申请偏重于软件开发，较少涉及硬件的设计与制造，国内市场上常见的产品仍主要出自国外公司。因此，国内企业应加强相关技术和硬件产品的研究力度，尽快将研究成果产业化，逐步扩大市场份额。（知识产权报　作者　瑞克）