虚拟现实是如何运作的

当你第一次听到VR（Virtual Reality）这个词时，你的第一反应是什么？你是否联想到某个人带着一个插着密集连接线与电脑连接的怪异的头盔？还是被你眼前近视+散光+飞蚊症的影像眼花缭乱头晕目眩？亦或是黑客帝国中被外星人当做生物能源的可怜人类？或者干脆你对这个新奇玩意畏之如虎希望它走开？

如果你是最后一种情况，那你有点像大部分现如今从事VR行业技术开发的计算机科学家或者工程师一样。今天，所谓的VR虚拟现实更多地是指大众熟知的VE（Virtual Environment，也就是虚拟环境）。毕竟，在虚拟环境都不够理想的境况下，其它的如多感知、自然技能、传感设备等连个雏形都没有。因而我们会在下文中用VE和VR互联。（即用VE虚拟环境的概念来代替VR虚拟现实的概念）

抛开两个概念的差别不谈，虚拟环境包含着和虚拟现实一样的通过计算机技术创造一个即时的3D虚拟世界，在这个虚拟世界中用户可以进行操作和探索，产生像在真实世界一样的感觉。科学家，理论家和工程师已经发明了许多的设备和应用来达到这一目标。虽然他们在关于什么才是构成真正的VR体验上的观点发生分歧，不过大致上都包含如下观点：
l 用户视角看来与实物完全一致的3D影像
l 捕捉用户动作的能力，尤其是头部和眼睛的运动，并且根据用户视角的变化相应地调整呈现给用户的影像。

在本文中，我们会讨论VR虚拟现实的特征的定义，一些VR虚拟现实系统应用到的技术，一些相关的运用软件，对虚拟环境的一些关注点，以及整个VR体系的简史。

首先我们来看看专家是如何定义虚拟环境的，以沉浸感为出发点。



虚拟现实沉浸

在一个虚拟现实环境中，用户体验到沉浸感，也就是所谓的感觉到成为虚拟现实环境的一部分。同时用户也可以和他所处的虚拟环境通过有意义的方式交互。沉浸感和交互感的结合统称为临场感（Telepresence)。计算机科学家乔纳森·斯特尔（Jonathan Steuer ）将之定义为“与直接的物理环境相比个体处在这种间接的虚拟环境中感觉到真实的程度”。换言之，一个有效的VR体验使得你能够忽略外部环境而专注于虚拟环境的存在。

乔纳森·斯特尔进一步提出了沉浸感的两个重要组成部分：信息深度，信息广度。信息深度指的是用户和虚拟环境交互过程中收到的信号所包含的数据的数量和质量。对于用户来说，信息深度可以表现为显示分辨率，虚拟环境图像复杂性，以及系统音频输出的复杂性等等。斯特尔将信息宽度定义为“同时呈现的感官维度数量”。理想的虚拟环境必须同时满足人的所有感官。大部分虚拟环境优先满足满足的是人的视觉感知和听觉感知，不过越来越多的科学家和工程师正在寻找新的方式来结合触觉感知。给予用户力反应和触觉交互的系统被称为触觉系统（Haptic Systems）。

有效的虚拟现实沉浸感必须使得用户能够探索与现实同步的虚拟环境和360度无缝隙地改变视角。假设虚拟环境中包含某个房间中部的一个基座，用户可以从任意角度来观察这个基座，而基座的图像随着用户的视角相应变化。VR科技和理论方面的先锋佛瑞德·布鲁克斯表示虚拟现实影像必须保持最少每秒20-30帧才能创造出真实可信的用户体验。



虚拟现实环境

当用户探索虚拟环境时虚拟环境系统中的其它感官输出应该根据现实时间调整。假设虚拟环境中包含3D音效，必须使得用户相信他在环境中闪转腾挪所产生的声音的方位转变是自然而然的。当用户沉浸在虚拟环境中的感官刺激必须保持一致。假设虚拟环境正展示一个绝对静止的场景，你当然不能让用户有被强风吹的感觉。同样地，当虚拟环境中用户处在飓风的中心，你当然不能让用户觉得清风拂面仿佛在玫瑰园中。

用户行为和虚拟环境反馈之间的迟延时间被称为潜伏期（Latency）。潜伏期通常指介于用户头部转动或者眼睛移动与影像变化之间的延迟，而它也可以用来表示其他感知输出的延迟。飞行模拟器的研究显示人类可以察觉到超过50毫秒的延迟。所以当用户察觉到潜伏期，这会让他注意到处在一个人造环境中从而破坏沉浸感。

当用户感受到现实世界时也就意味着沉浸感到此为止。真实的沉浸感会让用户忘记周遭的现实环境。为了达到这一目标，VR开发者不得不找出对于用来说更自然的输入方式。只要用户能够感觉到交互设备的存在，就算不上真正的沉浸感。



虚拟现实交互

为了让用户真实地沉浸在虚拟环境中，一个关键的要素就在于交互性。早期的虚拟现实应用使用和现在的虚拟环境系统相同的技术来让用户有一个相对的被动体验。用户可以通过穿戴头盔显示器来观看一部早就录好的电影。 用户可以坐在一个模拟座椅上观看这些影片，系统会给予他们各种感官刺激，比如往脸上吹气以模仿风。早期的应用智能让用户感受到某种单一的沉浸感，而不具备交互性，因为并不能解决视角变换的问题。然而早期的探索具有决定性意义，对VR发展的促进功不可没。

今天，你可以发现使用相同技术的虚拟过山车。在位于美国弗罗里达州奥兰多的迪士尼探索世界，赞助人可以在电子空间中的山岭上设计自己的过山车，然后通过模拟器进行体验。不过由于并不存在交互性，这不能算是一个真正意义的虚拟环境。

交互性依赖许多因素。斯特尔从中提出了三点要素：速度（Speed）、幅度（Range）、映射（Mapping）。斯特尔将速度定义为用户行动与计算机模型相结合并反馈到用户的频率。幅度指的是计算机模型对于用户行动给出的反馈的数量。映射指的是系统对于用户行动所产生的自然技能。

计算机科学家玛丽·慧顿指出设计粗糙的交互系统会减少沉浸感的体验。当一个虚拟环境变得有趣且可操作时，用户才会打消自己的疑虑有更大的意愿来沉浸。

真实的交互性也包括对环境的修改。一个好的虚拟环境会对用户在合理范围内的有意义的行动作出合理的反映。如果一个虚拟环境的变化稀奇古怪不合常理，会极大的破坏用户的临场感。



虚拟现实设备

今天，大多数的虚拟环境系统是由个人电脑搭载。个人电脑有足够卓越的性能来运行和创造虚拟环境的软件。虚拟环境的影像通常需要一个支持高配游戏的高端显卡支持。这个高端显卡显然是个人电脑虚拟环境软件的标配。

虚拟环境系统需要通过某种方式来向用户展示影像。许多系统运用一个包含两个分别对应双眼的头盔显示器。头盔显示器的影像通常有立体的效果，使得用户进入深度感知。早期的头盔显示器一般使用CRT显示器或者LCD显示器（即液晶显示屏）。这两种显示器各有优劣，CRT显示器好处是不错的分辨率和良好的影响质量，坏处是体积庞大，LCD显示器价格便宜成本低廉但是无法呈现出CRT显示器质量的影像。不过由于技术的发展和进步，LCD显示器在分辨率和色彩饱和度方面取得了长足的进步，因而变得比CRT显示器更主流。

其它的在房间的墙上、地板上、天花板上呈现图像的虚拟环境系统被称为室内虚拟环境（CAVE，Cave Automatic Virtual Environment）。伊利诺伊大学芝加哥分校设计了世界上第一个CAVE显示，他们利用背面投影技术在房间的墙上、地板上、天花板上呈现影像。用户佩戴上特殊的眼镜可以在CAVE影像中四处移动以体验完整的室内虚拟环境。CAVE影像给予用户更宽广的视野使用户更容易获得沉浸感。CAVE同时也允许一群人实时地分享他们在虚拟环境中的体验（不过由于只能捕捉某个用户的视角作为主视角，也就意味着其他人只能是被动的旁观者）。比起其它虚拟环境系统，CAVE影像造价更昂贵而且需要更多的空间。

虚拟环境影像呈现技术的关键在于捕捉系统。捕捉系统在对用户的视角方位做出分析判断后再由计算机系统给用户传输准确的图像获得视觉刺激。多数的捕捉系统要求用户在线路连接的分析系统的范围内活动，限制了用户活动的范围和幅度。捕捉技术的发展要稍微滞后于其它VR技术的发展，因为捕捉技术的市场主要是VR领域的关注者。在没有对VR应用和产品的需求支持下，投资者并没有多少兴趣来发展新的捕捉技术。

另外输入设备在VR系统中也非常重要，输入设备的范围从有两三个按钮的控制器到电子手套和声音识别软件不等。在VR体系中还没有统一的控制系统标准。VR科学家和工程师正为了探索出让用户更自然地进行系统输入临场感十足的方式而不懈努力。一些比较普遍的输入设备如下所示：
l 操纵杆（Joysticks）
l 力球/捕捉球（Force balls/Tracking balls)
l 手柄（Controller Wands）
l 声音识别（Voice recognition）
l 动作捕捉/捕捉服（Motion tracker/bodysuits）
l Treadmills



虚拟现实游戏

科学家正在不断的发展和探索适合VR用户的生物传感器。生物传感器可以探测和说明神经和肌肉的运动。在一个精准的生物传感器的支持下，电脑可以探测用户是如何在物理空间移动并把它转换成虚拟空间中相对应地运动。生物传感器可以和用户的皮肤直接连接，也可以是通过电子手套或者捕捉服。生物传感器的局限性在于其只能对应某个用户而不能量产。换言之，某个用户的生物传感器如果换成其它用户这没有实际效果。

来自北卡大学教堂山分校的玛丽·慧顿相信娱乐产业是推动VR技术向前发展的最大动力。尤其是电子游戏产业对于工程师们在VR系统中的声音和图形设计做出了巨大贡献。玛丽·慧顿最感兴趣的是搭配任天堂Wii模拟器的手柄。Wii手柄不仅可以实现某些捕捉追踪功能，而且对于那些不怎么玩电子游戏人来说也可以轻松上手。由于捕捉和输入设备这两个领域的发展一直落后其它VR技术的发展，Wii手柄对于VR系统的第一次技术新浪潮具有重大意义。

一些程序师摄像将因特网发展成一个3D的虚拟空间，用户可以通过探索这些虚拟空间来获得信息和娱乐。网站可以以三维坐标的形式呈现，使得用户可以更好的进行探索。计算机程序师为此发展了好几种不同的C预言和浏览器，如下所示：
l 虚拟现实模型语言（VRML，Virtual Reality Modeling Language）—最早的3D网络模型语言
l 3DML—一种通过安装插件以后用户可以使用大多数浏览器浏览网站3D模型语言
l X3D—取代VRML作为创造网络虚拟环境标准的语言
l COLLADA（协同设计作业）—一种允许3D程序呼唤的格式

当然，许多VR专家认为没有头盔显示器的网络虚拟系统不是真正意义上的虚拟环境。它缺乏沉浸感的关键要素，尤其是捕捉并展示实物大小的影像。



虚拟现实应用

在上个世纪90年代早期，公众对于VR的认识有限，无非就是一些被粗糙的翼手龙在棋盘上追逐的简单的块状图像。虽然娱乐产业对于虚拟现实运用的兴趣点仍然停留在游戏和电影领域，VR系统真正有意思的应用却发生在其它领域。

一些建筑师根据他们的建筑计划创建了一些虚拟模型，使得人们可以在建筑物实际建成以前在这些虚拟模型里自由走动。顾客可以在模型里进进出出并提出问题，甚至对建筑设计提出意见。比起微缩模型，虚拟模型可以让你更好的体验建筑物的美感和实用性。

汽车公司已经开始使用虚拟技术来构造新车的虚拟原型，在生产实际的零部件之前进行测试。设计师可以在不破坏整体模型的基础上进行修改，而以前他们只能在实物基础上进行修改，从而大大地提高了效率，降低设计成本。
虚拟环境在军队、太空、医学方面的培训项目中也有应用。军队一直以来都是VR技术有力的支持者和开发者。虚拟训练项目可以包扩从军事驾驶到小组战斗等内容。从整体而言，比起其它培训项目，VR系统不仅更加安全，而且从长远考虑，更加省钱。经过深度VR训练的士兵也比传统军事训练的士兵更有效率。

在医学方面，从业人员可以使用虚拟环境培训从手术治疗到诊断病人的所有项目。外科医生不仅已经使用虚拟现实技术来进行培训和教育还通过机器人装置进行远程手术。世界上第一例1988年发生在巴黎的一家医院。使用VR技术进行机器人手术面临的最大挑战在于潜伏期，因为如此精细的手术过程中任何的延迟对于外科医生来说都是无法接受的。而且这种系统也需要给患者提供良好的手术过程和术后效果。

VR技术在心理治疗方面的应用同样有趣。来自艾莫利大学的芭芭拉·萝特鲍姆和乔治亚理工学院的拉瑞·侯杰是应用虚拟环境治疗恐惧症和其它心理疾病的先锋。他们使用虚拟环境作为一种暴露疗法，病人在受到控制的条件下被暴露在那些使他们感到痛苦的刺激物下。比起传统的暴露疗法，VR技术支持的暴露疗法有两大优点：更加便捷并且病人更愿意尝试这种疗法，因为病人知道他们不是出在真实世界中。他们的研究直接促成了Virtually Better公司的成立，公司已经在14个国家向医生出售VR心理治疗系统。



虚拟现实面临的挑战和问题

虚拟现实领域面临的挑战主要有三方面：发展处更好的捕捉系统，寻找到用户与虚拟环境更自然的交互方式，减少创建虚拟空间的延迟时间。尽管有几家从VR发展早期的捕捉系统公司已经遍布全球，但是大多数公司的规模还是偏小并且昙花一现。同样地，在为VR应用服务的输入设备领域也没有几家公司。大多数的VR开发人员不得不依赖来源于其它行业的技术发展再将其引用到VR领域，因而他们不得不希望这些创造此类技术的公司停留在商业用途。在创造虚拟世界时，需要大量的时间来创造一个可信度高的虚拟环境—虚拟环境越真实，花费的时间就越多。在虚拟空间中精确地复制一个真实的房间通常要花费一个程序小组超过一年的时间。

虚拟环境系统开发者还面临着另外一种挑战：如何避免差劲的人体感知。许多虚拟环境系统依赖各种硬件从而妨碍了用户的体验或者限制了用户的选择。如果没有设计巧妙的硬件，用户的感知会大打折扣，轻则出现迟钝降低临场感，重则伴随着迷失和眩晕的电子病症状。并不是所有的VR用户都有电子病的风险，有些人可能可以在虚拟环境中待几小时啥事没有，有些人可能几分钟就恶心呕吐。

一些心理学家对沉浸在虚拟环境中导致用户出现心理问题表示担忧。他们表示如果虚拟环境系统让用户处在暴力环境中，尤其是长时间处在暴力中，可能导致用户变得麻木不仁。事实上，还有人担忧虚拟环境系统可能培养出反社会的一代。其他人倒是没有这么敏感，不过他们担忧逼真的虚拟体验会导致电子沉迷。毕竟已经出现了不少关于游戏玩家由于沉迷网络游戏而忽略生活的新闻故事。虚拟环境体验显然更容易令人沉迷。



虚拟现实简史

虽然大众直到20世纪90年代才注意到，虚拟现实的概念可以追溯到好几十年前。在20世纪50年代中期，一位名叫摩登·海里戈的摄影师设想一种全新的观影体验：调到观众所有的感官，使得他们更好地融入电影故事。1960年他创造了一种被称为传感影院（Sensorama）包含立体影像、风扇、嗅觉装置、立体扬声器、移动椅的单人用装置。他还发明了一种可以让用户以3D方式观看电视的头戴电视装置。虽然用户使用这些装置只是获得被动的电影体验，但是海里戈的想法成为了以后VR领域的先锋概念。

1961年Philco Corporation的工程师发明了世界上第一个HMD，称之为“Headsight”。这个头盔包含一个电子显示屏和捕捉系统并连接到一个相近的电路摄影系统。他们期望这些头盔可以使用在一些危险的环境中，用户可以通过转动头部调整摄影角度在远处观察这些环境。他们把HMDs和红外相机搭配在一起装在直升飞机的底部，使得直升飞机在黑暗中飞行时也能有一个良好的视野。

1965年，一位名叫伊凡·苏泽兰（虚拟现实之父）的计算机科学家提出了一种被他称为“Ultimae Display”的设想装置。通过这个装置，用户可以看到一个和他居住的真实世界一模一样的虚拟世界。这次预期也成为了VR领域几乎偶有发展的先行概念。苏泽兰的概念包括：
l 一个通过HMD观看和3D音效、触觉刺激增强对任何观察者都看上去真实的虚拟世界
l 一台实时保持这个虚拟世界的计算机
l 用户可以真实直观地操作虚拟物体

1966年，苏泽兰制造了一个和计算机系统连接的HMD。计算机为头盔成像提供所有的图形（在此之前HMD只是和摄像机连接在一块）。它使用一个悬挂装置来承载HMD，毕竟HMD对于用户来说有点过重带起来不太舒适。HMD可以展示立体影像，给予立体感效应，捕捉用户头部运动，从而更具用户视角的裱花给出适宜的影像变化。



虚拟现实开发

NASA，美国国防部和国家科学基金会赞助了大量的虚拟现实研究和开发项目。CIA曾经每年给予苏泽兰80000美元的研究资金。早期的VR主要运用在驾驶操作模拟和训练上。由于模拟器上飞行体验只是和现实相似但不完全一致，美国军方，NASA和航空机构为了防止事故法伤要求飞行员在模拟飞行和实际飞行之间有一个间隔期（最少一天）。

VR技术曾经淡出公众视野多年。直到20实际八十年代VR技术的发展中心一直都在驾驶模拟上。然而到了1984年，一名叫做迈克尔·麦克格里韦的计算机科学家可是实验将VR技术作为人机交互（HCI，human-computer interface)的突破口。人机交互在VR研究中任然扮演着重要角色，并且进一步促使媒体界在几年后开始接纳关于VR的消息。
杰伦·拉尼尔1987年创建了“虚拟现实”这个名词。在20世纪90年代，媒体锁定了VR的概念并持续跟进。这次炒作使得许多人对于虚拟现实产生了不切实际的期望。而当大众意识到虚拟现实并不如报纸上宣传的那么神奇时，他们一下子没了兴趣。虚拟现实也渐渐淡出了公众视线。

到了今天，VR开发者们尽可能地不夸大虚拟环境系统的性能和应用，以避免虚拟现实的重蹈覆辙。