走进黑客帝国的世界 MC带你认识虚拟现实技术

　　在诸多科幻影片中，虚拟的世界已经和现实的世界紧密结合在一起。就像奥斯卡大奖影片《黑客帝国》那样，人们通过计算机和脑后插管等一系列手段，进入到计算机模拟的虚拟世界中生存、竞争甚至战斗。当然，现在的技术还无法达到脑后插管的程度，但是虚拟现实技术的发展，使得人们对虚拟世界本身，虚拟世界对现实世界的影响，虚拟世界未来可能产生的问题，都有着诸多的思考和疑虑。那么，实现这些场景的技术—虚拟现实到底是什么？它的发展情况如何？现在又有什么产品可供人们选择体验呢？

　　比电脑更早问世 虚拟现实技术的发展历史

　　要探究虚拟现实技术，得先说清楚什么是虚拟现实。目前比较普遍的看法是，虚拟现实技术是一种可创建、可体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用了计算机生成的模拟环境，是一种多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真，它可以使得用户沉浸入该环境中。简单地说，虚拟现实在一般人眼中的定义就是：我进入了一个完全不一样的世界！

　　对普通用户来说，虚拟现实技术的意义在于用户进入虚拟现实的环境后，至少在视觉上脱离目前的已有环境，能够带来和你所处环境完全不同的使用体验。当然，为了达到这样的目的，虚拟现实技术从很早开始就不断进行着发展创造。

　　19世纪60年代一计算机出现前

　　部分文献认为，虚拟现实的历史要比想象的更早，甚至在计算机发现之前就已经有苗头出现了。比如19世纪60年代，巴尔达萨雷·佩鲁齐在建筑物中通过360度的全景壁画来展示了完全不同于一般体验的场景，被认为是最早的虚拟现实。而在随后的1920年，汽车模拟器诞生。但这些都只是小打小闹，直到1960年后，计算机的发展使得人们开始思考使用计算机进行有关虚拟现实的模拟和应用。

　　1968年的达摩克利斯之剑

　　首个被广泛认为是真正接近现代计算机虚拟现实的产品来自于1968年，在这一年，伊万·萨瑟兰和他的学生鲍勃·斯普劳尔发明了基于头戴式显示器的虚拟现实和增强现实系统。不过当时的头戴式显示器还使用了阴极射线管，因此它太重以至于除了观看方式是“头戴”外，它的固定方式是悬挂在天花板上的。这个虚拟现实系统首次展示了线框模型的房间，它的名字也非常令人惊讶—“达摩克利斯之剑”，这么犀利的名字，是不是它的发明者思考到了未来有关虚拟现实设备应用给人类社会带来的巨大震撼呢？

　　1980年出现“虚拟现实”词汇

　　80年代，一位名叫贾瑞恩·拉尼尔的美国作家、计算机科学家和古典音乐作曲家发明了一个词汇：Vi rtual Reali ty。对，就是它，成为了今天虚拟现实词语的来源。

　　1990年的Virtuality虚拟化娱乐系统

　　虚拟现实技术真正的大发展是在1990年以后，随着计算机技术飞跃般的发展，V R也得到了日新月异的更新。首先是1990年的乔纳森·威尔登，专攻虚拟现实的博士，设计了一套名为“Virtuality”的计算机虚拟化娱乐系统，这也是首次通过网络运行的多人虚拟现实产品。

　　2000年后：虚拟现实技术大步发展

　　从技术上来说，虚拟现实设备的进一步发展是随着显卡图形芯片的发展而进一步向前迈进、逼近真实的，毕竟没有高性能GPU支持的话，仅依靠传统的计算方案，很难真正营造出似真似幻和现实场景几乎一样的虚拟环境—如果虚拟环境和现实环境差异过大，人们还是能够清晰地区分两者，沉浸感会大打折扣。2007年，借助先进的图像处理技术和强大的拍摄能力，谷歌街景推出，并且拥有立体模式，这也是虚拟现实领域的一个重要事件。而2010年后Ocul us的VR头盔式显示设备的兴起，以及2014年FaceBook对Oculus高达20亿美元出资的收购，也让人们对虚拟现实设备的现状和未来充满了兴趣。

　　从虚拟现实技术的发展情况来看，虚拟现实技术诞生后，有过两次发展高峰，一次是计算机的发明和广泛应用，使得虚拟现实技术有了非常好的技术依托，大量涌现了有关虚拟现实技术的应用和理论。第二次是进入21世纪后，随着GPU技术突飞猛进的发展，虚拟现实技术终于有了立身之本，结合强大的GPU性能，虚拟现实技术有望进入一个全新的发展层次。

　　关键元素一实现虚拟现实技术的三驾马

　　车人们对虚拟现实技术的认识，也是从无到有，从简单到深入一步一步建立起来的。目前，被广泛认同的有关虚拟现实技术发展，需要遵循的三个基本条件：交互性、沉浸感和想象力。恰好这三个英文单词分别是interactivity，immersion和imagination，因此也有人称其为虚拟现实技术的I3原则。虚拟现实技术的I3原则，不但定义了虚拟现实技术的发展方向，也通过I3原则，让我们可以清楚地看到之前以及未来虚拟现实技术发展中存在或者可能出现的问题。

　　虚拟现实技术的交互性 interactivity

　　交互性最直接的解释就是虚拟现实世界可以和人发生互动，专业一点的定义就是用户可以对虚拟环境中对象的可操作程度以及用户从虚拟环境中得到反馈的自然程度，并且这些可操作以及反馈需要非常出色的实时效果。如果大家熟悉XBOX360的话，就知道Kinect这样的动作捕捉设备发展已经非常成熟了，这一点也被使用在目前很多虚拟现实的设备中。通过动作捕捉设备，玩家的意图和行动能够被及时映射到虚拟环境中去。此外，目前虚拟现实设备都是用头盔或者头戴式显示设备来实现画面的传送。由于有头盔的存在，人们可以在头盔中安装陀螺仪和一些定位装置，更为清晰地感知到用户的相对位置。

　　实际上，虚拟现实比较困难的并非是捕捉用户的状态，而是如何将虚拟环境内部的状态反馈到用户感受层面。我们知道，为了展示更为出色的游戏体验，绝大部分游戏主机的手柄都设计了力回馈装置。在虚拟现实的状态反馈设计中，设计人员可以通过设计特殊的手套、背心、绑腿等装置，为用户带来比较全面的全身力反馈感受。但是，即使如此，就像人们在现实社会中遇到的复杂多变的感受而言，这样的力回馈不但依旧简单，无法满足触觉需求，也无法带来冷热干湿等感觉，对气味也没有很好的办法进行处理。这也是目前虚拟现实技术交互性发展遇到的一个瓶颈。

　　虚拟现实技术的沉浸性 immersion

　　沉浸性的定义一直非常宽泛，既可以包含有关视觉体验方面的内容，也可以包括整个环境虚拟的真实程度。不过，一般认为，判断沉浸性的根本因素在于用户能够感受到自己作为主角存在与虚拟环境中的真实程度，越真实甚至无法区分虚拟和现实，那么沉浸性就越好，反之就越差。从目前的技术来看，虚拟现实技术的沉浸性发展，尤其是视觉方面的发展还是比较令人满意的。

　　根据市场上比较出色的几家虚拟现实头盔厂商的产品体验来看，其中最优秀的产品除了在分辨率和画面亮度上依旧存在改进空间外，其产品目前所能达到的程度已经非常令人满意了。举例来说，Ocul us的第二代体验头盔基本上可以做到“再造一个虚拟世界”的程度，用户戴上头盔后，无论是视野范围还是视距，都几乎和现实世界相同，尤其是双眼感受到的世界一其中物体的真实感、距离感和饱满感受，都极为逼真，让人欲罢不能。

　　虚拟现实沉浸性的发展，是和图形技术的进步密不可分的。在早期没有专用G P U加速图形计算的时代，虚拟现实的设备很难做到实时演算的互动场景，除了静态场景外，动态场景都以简单的点线面表示。只有在图形尤其是GPU技术大发展后，引入拥有实时计算能力的GPU，才能真正做到图形方面的沉浸式体验。

　　虚拟现实技术的想象力 imagination

　　虚拟现实技术的想象力，其实是一个很“空泛”、“广阔”的内容，虚拟现实的想象力更多偏向于用户在虚拟世界中，利用多种信息和自身在系统中的行为，通过判断、推理和联想，根据系统的运行，对虚拟事物进行想象、创造、构造的能力。由于这部分内容在现实社会中是无法发生的，因此虚拟现实技术的想象力很难具体说明。举例来说，在现实社会中，你是无法顶着汤勺让它弯曲的，但是在诸如《黑客帝国》这样的虚拟现实场景中，你不但可以盯着汤勺让它弯曲，还能够打结，甚至让汤勺变大变小，从不锈钢材质变成黄金的，以及让火山爆发、地壳变动等。

　　虚拟现实技术的想象力目前更多地使用在产品设计和研发，比如一些现实场景中无法体现出的大飞机、超大船舶甚至空间站等产品。同时，这种想象力在社会场景中的应用也非常多，最简单的比如换衣服、场景模拟学习，再复杂一些的诸如实战演练、反恐演习等，最后则是游戏类应用，以便充分发挥娱乐玩家的创造力和想象力。总的来说，根据目前的研究情况来看，虚拟现实的I3基本特征依旧是虚拟现实需要进一步研究和发展的内容。这三个方向不但决定了虚拟现实技术的实现效果，也代表了虚拟现实技术存在的基本条件和未来发展方向。目前的产品在虚拟现实技术的沉浸性方面有了突破性的的进展，但在交互性方面的发展不算很出色，反而是想象力方面，虚拟现实技术在工业等场合的应用，已经有很多的成功案例。不过这还不是终点，可以肯定的是，想象力最终将成为虚拟现实技术中对人们影响最大，也是I3中最重要的环节。

　　四类产品组成 当前的虚拟现实产品

　　上文说了这么多理论的内容，目前有哪些虚拟现实产品呢？从虚拟现实产品的分类来看，目前有四类虚拟现实产品，它们分别是：桌面式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、增强式虚拟现实系统以及分布式虚拟现实系。

　　在这四类产品中，桌面式虚拟现实系统主要是指的使用个人PC或者工作站来产生3D交互感的设备。这类产品其实并未脱离现实环境，并且它的存在需要特殊的显示设备支持，其效果表现并没有那么出色，但是价格非常便宜。一般来说，我们在电影院看的3D电影、英伟达的3DVISION立体显示系统、在科技馆看的立体电影、部分裸眼3D显示器，都属于这一类。

　　沉浸式虚拟现实系统是目前希望最大、发展空间最广、发展速度最快、体验效果最好的虚拟现实系统。沉浸式显示系统的特点在于使用了特殊的、带有左右眼独立显示设备的头盔。用户在带上头盔后，由于左右眼独立接收信息，因此会整个沉浸入全新的虚拟环境中，真正变成参与者，产生身临其境的感觉。沉浸式虚拟现实设备也是目前几乎所有业内人士关注的重点，它的代表厂商就是Oculus，其他还有诸如ANTVR、FUNhead等厂商的虚拟现实头盔。

　　第三类产品是增强式虚拟现实设备，这类产品主要特点是允许用户在观察现实世界的基础上，将虚拟图像叠加在现实物体之上。这类产品的主要目的在于增强现实社会的感受，因此又称作补充现实式虚拟现实设备，最典型的代表产品就是谷歌眼镜了。

　　第四类产品是分布式虚拟现实系统。它的特点是基于网络构建的虚拟现实环境，使得在不同场景和地点的人们能够通过虚拟环境连接在一起，并共享信息。目前这类产品在民用用户中并不多，主要用作医学远程会诊、虚拟战争演习等。这类产品的沉浸性和实际体验都很一般，主要是专业用途。一般来说，网络游戏并不算在分布式虚拟现实系统中。上述四类产品中，目前在消费级领域最为火爆和最受关注的就是Oculus的Rift系列虚拟现实头盔，它是目前沉浸式虚拟显示设备中技术最成熟、支持最广泛、最有望实现商业化和民用化的产品。

　　虚幻还是真实？极具潜力的虚拟现实技术

　　虚拟现实技术的发展，目前仅仅是最开始的阶段，它的出现，不仅仅代表了技术的突破，更有可能代表了科技对人类社会的巨大影响，虚拟现实技术甚至会改变整个人类社会的形态。从理论界对现实世界的定义来看，现实世界就是存在于人脑之外的客观世界，在这个客观世界中，发生着事物以及事物之间的联系。按照唯物主义的观点来看，物体是客观存在的，是不以人的意志为转移的。但是虚拟现实如果发展到极为成熟的阶段，它过于逼真的特性，是否会使得人们模糊虚拟和现实之间的界限？

　　试想一下，如果虚拟现实大发展后，我们的学习只需要一个虚拟现实设备就可以进行危险的化学、物理实验。一些行业诸如旅游业、娱乐业，在虚拟现实技术发展后，是否会受到极大的削弱？毕竟戴着虚拟现实设备就能上珠穆朗玛顶峰、下马里亚纳海沟、游遍五大湖、揽胜三山五岳也不是什么难事。工作、会议、生活、学习、旅游等等项目，虚拟现实设备都可以帮我们完成，那个时候，哪个世界才更值得我留恋？我又应该生活在哪个世界呢？

　　文/图 林子涵