第1章 科学(1)

虚拟现实：亦幻亦真的未来

文/赵洋

现实扭曲力场

现在轮到你进入太空了。扣好头盔，你发现自己置身于气闸舱中。身体轻轻地向前飘动，气闸舱门无声地滑开，前方是一间无重力绝尘室。快飘到天花板时，你下意识地低了低头，面罩外，你的双手缓缓撑住天花板作为缓冲。又以游泳的姿势穿过几个房间后，你终于置身于太空中了。没有地板，没有墙壁，没有天花板，只有冰冷、空虚、令人生畏的黑色虚空和四面八方的星辰，以及这个荒废的太空站飘浮的残片。

有那么一刻，你感到一阵惊慌失措，担心自己会失去控制进入永恒的黑暗。好在你不用为了生存而慌乱地寻找氧气，你的生命并未受到真正的威胁。这种紧张气氛大多是幻觉的产物。根源在头盔上，那并不是航天服上的头盔，而是Oculus Rift虚拟现实头盔。本文开头的那段描述，来自第一批用该头盔玩某款太空冒险游戏的用户。

虚拟现实技术最早以“沉浸式电脑显示”的面貌出现，该设想可追溯到20世纪60年代初。当时，美国摄影师莫顿·海利希创造了“拱廊体验”，利用电影技术给观众营造了游览曼哈顿的想象之旅。他创造性地给座椅及扶手添加振动功能，让观众经历了一次妙趣横生的三维旅行——当观众在车流中改变速度时，甚至风速也跟着改变。为进一步增强现实感，汽车释放的烟雾及路边比萨店的气味也会适时地释放出来。这是第一次成功地创造了一种被动式的虚拟现实体验。1962年，莫顿·海利希为“体验剧场”的传感刺激器申请了专利，他也因此赢得了“虚拟现实之父”的美誉。

在1965年的计算机图形处理研讨会上，时任美国国防部高级研究计划署信息处处长的伊凡·苏泽兰作了题为《终极显示》的报告，提出用头盔显示装置观看计算机产生的虚拟图像，从计算机显示和人机交互的角度提出了模拟现实世界的思想。这个报告提出了虚拟现实技术实现的基本方案，因此被认为是虚拟现实技术的里程碑。1968年，苏泽兰发明了名为“达摩克利斯之剑”的虚拟现实头盔设备，让虚拟现实设备具有了一定的便携性。此后，他的研究得到了美国军方的赞助，人机交互技术开始被用于航天员的操作训练上。

20世纪80年代，个人电脑的兴起引发了人们对家用小型虚拟头盔的期待，有不少科幻小说和科幻电影都涉及虚拟现实。虽然书籍热销、票房大卖，但实际产品仍不见踪影。直到90年代，才出现了一些面向大众的虚拟现实设备，如1991年，英国有一款名为“虚拟世界1000CS”的头戴式设备，极其笨重，人们戴着它就像罩着一台真空吸尘器一样。90年代初，孩之宝公司花费5900万美元和三年多的时间开发了名为“家庭虚拟现实系统”的控制台和头盔，后因市场反应不佳，不得不放弃这一项目。更多的时候，虚拟现实产品会因技术问题而失败。1996年，任天堂推出180美元的视频游戏机Virtual Boy，但消费者认为三维图形效果索然无味，虚拟现实头盔只显示单调的红色，且分辨率低，目镜震动，用起来让人头晕目眩、腰酸背痛，最终Virtual Boy只卖出不到80万套。

过去几十年，虚拟现实技术停滞不前的原因主要是计算、显示和追踪能力达不到要求。虚拟现实是计算资源密集型技术，家用电脑、手机和游戏机完全无法应对，导致这项技术不够轻便。而且，由于缺乏高分辨率显示技术和精准的头戴式追踪设备，虚拟现实技术难以创造栩栩如生的虚拟体验。

不过，近年来随着高性能微处理器的突破，移动宽带技术的爆炸式发展和移动传感技术的进步，虚拟现实技术正在大踏步前进，硬件设备的重量越来越轻，效果越来越逼真，造价也更便宜。从软件角度而言，家用虚拟现实设备已跨过了转折点。

2012年，虚拟现实头盔设备Oculus Rift通过众筹网站融资240万美元。一年以后，Facebook就以23亿美元巨资收购了开发该头盔的公司。除了电子游戏公司争相与其合作，其他产业也迅速跟进：电影《零点》是第一部专门为Oculus Rift头盔拍摄的第一人称360度电影；摇滚乐队“酷玩”不久前发布了现场演出的虚拟现实版；一家公司在橄榄球传奇教练Mike Ditka的支持下启动运动员虚拟现实训练项目；福特的汽车工程师利用Rift检验新车设计的3D模型；万豪酒店推出了虚拟现实电话亭，潜在客户足不出户便可体验环球之旅；美国国防部高级研究计划署在防止网络攻击的网络可视化工具中利用Rift头盔。总之，虚拟现实技术可以在军事训练、医疗保健、在线教育等众多领域一显身手，但最直接的当属价值千亿美元的游戏产业，玩家们十分乐意以新奇的方式体验游戏。

虚拟现实三原则

虚拟现实是一种多通道的人机交互接口，人们可以通过视觉、听觉、触觉和加速度感等多种感觉通道感知计算机模拟的虚拟世界，也可以通过移动、语音、表情、手势及视线等最自然的方式和虚拟世界交互，从而产生身临其境的体验。

虚拟现实技术有三大原则性特征：沉浸感、交互性和想象性。

沉浸感 是指使用者可以全身心投入并沉浸在计算机生成的虚拟环境中，产生身临其境的感觉。使用者所见、所听、所闻、所触完全与真实环境中感受的一样，这是虚拟现实技术的核心特征。

沉浸感源自传统的全景画艺术，全景画是最早的沉浸式作品。目前的沉浸式虚拟现实，也是依照全景画的理念进行的。以体育比赛转播为例，电视观众虽然能够享受特写、回放和不同镜头视角，但却无法像体育场内的观众那样轻松地切换视野。在电视直播的特写镜头里，中锋带球过人，向着球门长驱直入，可几秒钟后，一个后卫队员闯进镜头活生生把球拦下。电视观众由于视角所限，往往会诧异这个后卫是从哪儿冒出来的，但现场观众由于眼观全局，完全不会有这样的困惑。借助全景化的虚拟现实技术，观看体育比赛转播会变得更加身临其境、全神贯注。

但人类接收外部信息的方式是多元的，视觉只占全部信息来源的80%。传统虚拟现实一般只提供视觉模拟，沉浸感较弱，可以很容易分辨现实环境与虚拟环境。这就要用到多感知技术，即除了具有视觉感知或听觉感知之外，还有味觉、触觉、嗅觉和运动感知等。在理想状况下，沉浸式虚拟现实技术应该具有人类具有的一切感知功能，这样才能使用户真假难辨，全身心地投入虚拟环境中。

目前，已经有人在研究欺骗味觉和嗅觉的方法，如一个日本团队使用芳香扩散器来提升虚拟体验中的嗅觉，将芳香油变成怡人的香味。这种体验不久后能在一款美食虚拟现实应用中重现。据悉，该团队将啤酒味、肉汤味、香料味和水果味的液体制成气雾已经获得成功，眼下他们正在实验用营养酵母和香菇粉来让仿制牛排，重现真牛排的风味和鲜味。