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虚拟现实的萌芽与发展

虚拟现实技术的发展大致可分为四个阶段

从2016 年开始,随着消费者版的Oculus Rift、HTC Vive 和PlayStationVR 相继发布,虚拟现实真正开始走进普通人的家庭,给我们带来了全新的视听和游戏体验。

《庄子·齐物论》中有一段妙语:“昔者庄周梦为胡蝶,栩栩然胡蝶也。

自喻适志与!不知周也。俄然觉,则蘧蘧然周也。不知周之梦为胡蝶与?胡蝶之梦为周与?周与胡蝶则必有分矣。此之谓物化。”两千多年前的庄周梦见自己变成蝴蝶,变成蝴蝶的庄周不仅生动逼真,还感到非常愉快和惬意,忘记自己是庄周。醒来之后,才在惊惶不定间发现自己是庄周。不知是庄周在梦中变成蝴蝶呢,还是蝴蝶在梦中变成庄周呢?庄周与蝴蝶那必定是有区别的。这就叫做物我的交合与变化。两千多年前的庄周就在思考,究竟是蝴蝶梦到了他,还是他梦到了蝴蝶,哪个是虚拟,哪个又是现实呢?

几百年前的笛卡尔也曾试图探寻凌驾于感官和科学理论之上的“绝对真实”。而他最终发现,人类所认知的“真实”都可以被合理质疑,唯有思考是唯一确定的存在,即“我思故我在”。虚拟现实说到底就是源于人类的思考与想象,大脑把接收到的信息,构建成一个世界,这就是虚拟现实的本质。

在中国古代,有两个成语可以很好地诠释虚拟现实:黄粱一梦和南柯一梦。黄粱一梦出自唐朝沈既济的《枕中记》,讲述唐开元七年(公元719 年),一名叫卢生的青年郁郁不得志,身上只有粗布短衣,生活窘迫。一天,他在邯郸的旅店中遇见了有仙术的道士吕翁,卢生与他相谈甚欢。说着说着,卢生叹息自己在世上不得意,虽然幼时用功学习,但功名未得已是壮年,每天下田劳作、生活潦倒。卢生有些乏困了,道士吕翁便拿出一个枕头让他枕上,这时店主正在蒸着黄粱饭。卢生倚枕而卧,那枕头是青色瓷质的,并在两端开有孔,卢生侧过头去睡在枕头上,只见那孔窍渐渐变大,明亮有光,卢生顺着光亮投身进去,竟然回到了家。几个月后,他就娶了清河崔氏的女子做妻子,第二年,卢生科举中了进士,受到皇帝赏识,官至宰相,册封燕国公,恩宠有加。他的5 个孩子高官厚禄,所结的亲也都是名门望族。卢生最终儿孙满堂,享尽荣华富贵。80 岁时,卢生生病久治不愈最终病亡。在死亡的那一刻,卢生醒来,却发现自己的身体还睡在旅店之中,吕翁就坐在身旁,而店主蒸的黄粱饭还没熟。南柯一梦同样是讲述一个长长的梦境,但远没有黄粱一梦讲述的真实细致。可以将黄粱一梦中的那个青瓷枕头看做虚拟现实设备,其带着卢生进入了一个虚拟世界,让卢生在那里体验了一段完全不同的人生。

虚拟现实与许多科研技术一样,其概念也曾出现在很多科幻小说和科幻电影里,现在的许多科技概念都可以在科幻作家的想象中发现原型。时间追溯到1935 年前后,科幻小说家斯坦利·威因鲍姆发表了一篇短篇小说《皮格马利翁的眼镜》,小说中的精灵族教授发明了一副眼镜,戴上这副眼镜后,就能进入到电影当中,看到、听到、尝到、闻到和触到电影中的任何东西,你还可以和故事中的人物交流互动。威因鲍姆所描述的“眼镜”就是对“虚拟现实”的最初描写。小说中那个以眼镜为基础,涉及视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉等全方位沉浸式体验的设备,在现在看来仍然非常超前。这本小说也被认为是第一本提及VR 的科幻小说。

1956 年,美国摄影师莫顿·海利希(Morton Heilig)发明出了一台名为Sensorama 的机器

这款机器具有三维显示及立体声效果,还能产生振动和吹风。莫顿·海利希还在1960 年申请了一项可移动提供虚拟现实体验的设备专利,这项专利与当代的虚拟现实头显非常接近,但并没有产品原型。

1965 年,伊凡·苏泽兰(Ivan Sutherland)教授发表名为《The Ultimate Display(最终显示)》的论文,提出了感知与交互的人机写作理论。伊凡·苏泽兰是一位杰出的计算机科学家,他在1962 年发明的Sketchpad 是第一个可以在显示屏幕上直接构造图形图像的系统。1968 年,伊凡·苏泽兰和他的学生Bob Sprull 设计出了第一款虚拟现实头显:The Sword of Damocles,被人称为达摩克利斯之剑,

这款头显是第一个具有计算机图形驱动的头戴显示器及头部追踪系统的设备,他的第一款应用是一个悬浮在空中的立方体。这一发明成为虚拟现实发展史重要的里程碑,基于在图形现实和追踪交互方面的贡献,这个原型的作者伊凡·苏泽兰也被誉为计算机图形学之父和虚拟现实之父。

1966 年,美国的MIT 林肯实验室在海军科研办公室的资助下,研制出了第一个头戴显示器,随后又将反馈装置加入到系统中,1970 年,MIT 林肯实验室又研制出了功能较齐全的头戴显示器系统。

1973 年,Myron Krurger 提出“Artificial Reality”概念,这是最早期出现的虚拟现实的词,从字面看,它已经具有了虚拟现实的含义。1956 ~ 1973年之间是虚拟现实技术的萌芽阶段,但此期间,并没有人提出完整的虚拟现实概念,虚拟现实仍处于探索阶段。

1978 年,Eric Howlett 发明了LEEP(The Large Expanse, Extra Perspective),这是一种超大视角的立体镜呈像系统,它尽可能地矫正了在扩大视角时可能产生的畸变。

1984 年,VR 的先驱Jaron Lanier 成立专门研究VR 的公司VPLResearch,并且先后推出了VR 手套Data Glove、虚拟现实头显Eye Phone、环绕音响系统AudioSphere、3D 引擎Issac、VR 操作系统Body Electric。不过,VPL 公司最终在1990 年破产。

1989 年,Eric Howlett 看到VPL Research 面向消费者市场的头显售价高达1 万美元,因此也试着推出自己的头显Cyberface,然而并未获得成功。后来,Eric Howlett 和儿子Alex 在2006 年创建了Leep VR。LEEP 的镜头拥有虚拟现实头显镜头中最大的视场角(FOV),Palmer Luckey 在2011 年定制的第一款Oculus 原型也是采用了LEEP 的镜头方案。

20 世纪80 年代初, 美国的DARPA(Defense Advanced ResearchProjects Agency) 为坦克编队作战训练开发了一个实用的虚拟战场系统SIMNET。1984 年, 美国国家航空和宇宙航行局(NASA) 的实验室M.McGreevy 和J.Humphries 博士开发了虚拟环境视觉显示器用于火星探测,这个系统可以将火星数据输入计算机,模拟出火星表面的三维环境。之后,NASA 还投入资金对虚拟现实技术进行研究,开发出了通用的多传感个人仿真器、数据手套、交互接口等技术接口套件。

1985 年,WPAFB 和Dean Kocian 共同开发了VCASS 飞行系统仿真器。

1986 年,Furness 提出了“ 虚拟工作台”(Virtual Crew station) 的革命性概念。同年,Robinett 与合作者Michael McGreevy、Scott S、James Humphries、Fisher 发表了虚拟现实系统方面的论文《The Virtual Environment Display System》。

1987 年,James. D. Foley 在《科学美国人》杂志上发表了《Interfacesfor Advanced Computing(先进的计算机界面)》一文,在这篇文章中,虚拟现实用了1973 年Myron Krurger 提出“Artificial Reality”一词来描述。James. D. Foley 提出了虚拟现实的三个关键要素:想象(Imagination)、交

互(Interaction)、行为(Behavior),从人机界面的角度阐明了虚拟现实应有的功能。

1989 年,VPL 公司创始人杰伦·拉尼尔(Jaron Lanier)正式提出了“VirtualReality”概念,“虚拟现实”一词被正式认可和使用。并且,VPL 公司把虚拟现实产品作为商品出手,推动了虚拟现实技术的发展。1990 年,VPL 公司破产,所有专利被卖给了太阳微系统公司。如今,杰伦·拉尼尔在微软有自己的研究室,主要研究增强现实技术。

1974—1989 年之间是虚拟现实系统的初步形成阶段,虚拟现实概念被正式提出,组成虚拟现实的各个设备原型都逐渐被研发出来,虚拟现实系统具备了基本功能。1990 年,虚拟现实迎来了高速发展时期。

20 世纪90 年代,随着计算机硬件的高速发展以及软件系统的同步进化,使得实时渲染的图像和声音成为可能,再加上交互技术的创新,虚拟现实迎来了发展的春天。

1991 年,Virtual Research 推出了Flight 头显,这款头显有两块240×120像素的显示屏,拥有定位跟踪系统,也是搭载着LEEP 的镜片。

1991 年,Virtuality 推出一款由Commodore Amiga 3000 电脑,头戴式的Visette 显示器以及一系列控制器组成的VR 设备。

1992 年,在国际图形学会议上,Carolina Cruz-Neira 等建立了大型VR系统CAVE(Cave Automatic Virtual Environment),用户佩带偏振眼镜在一个四面为投影屏幕的房间内,可以看到环绕自身的立体景象。在本次会议上,SGI 和Sun 等公司也展出了类似的环境和系统。

1992 年,Sense8 公司开发了“WTK”开发包,缩短了虚拟现实系统的开发时间。

1992 年,Liquid Image 成立, 并于1993 年销售第一款虚拟现实头显MRG2。

1993 年,在CES 展览上,世嘉MD 主机推出了一款Sega VR 配件,首发支持包括《VR 赛车》在内的5 款作品。但由于未能解决眩晕问题,该产品最终被取消发售。

1993 年,波音公司使用虚拟现实技术设计出波音777 飞机。同年,美国宇航员利用虚拟现实系统,成功完成了航天飞机的部分操作工作。

1994 年,虚拟现实建模语言出现,为图形数据的网络传输和交互奠定了基础。

1994 年3 月在日内瓦召开的第一届WWW 大会上,虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language,简称VRML)被正式提出,之后相继出现了X3D、Java3D 等建模语言。

1994 年,美国SGI 和比利时的BARCO 公司在英国建设了一个虚拟现实系统。

1994 年,Burdea G 和Coiffet 出版了《虚拟现实技术》一书,在书中他用想象、交互、沉浸概括VR 的三个基本特征。

1995 年,High Technology 公司推出了头显VFX1,2001 年这家公司改名为VUZIX,之后还推出了一款AR 眼镜。

1995 年,任天堂发售了一款Virtual Boy VR 设备,但该设备没有使用任何头部追踪技术,而且支持的游戏有限,且许多消费者在游戏时出现眩晕恶心等情况,所以该产品在发售不到一年后也被放弃。1995 年,任天堂发布了一款VFX1 Headgear 设备,配备双LCD 显示器和动作追踪技术,再加上立体声扬声器以及Cyberpuck 手持控制器,配合《毁灭战士》和《雷神之锤》等游戏的支持,使得这款设备在当时着实风光了一把。

1996 年10 月31 日,世界上第一个虚拟现实技术博览会在英国伦敦开幕。同年12 月,世界上第一个虚拟现实环球网在英国投入运行。

2012 年,Oculus Rift 登陆Kickstarter 众筹平台,Facebook 在2014 年3 月花费20 亿美元,收购了这家公司。

21 世纪,随着科技的迅猛发展,越来越多的虚拟现实技术被研发出来,虚拟现实产品开始进入军用和民用领域,但同样限于内容和技术,虚拟现实没能大规模普及开来。

2016 年, 随着消费级VR 的Oculus Rift、HTC Vive 和PlayStation VR的发布,虚拟现实真正开始走入千家万户,因此,2016 年也被众多媒体称为“VR 元年”。

本文分享自微信公众号 - 博文视点Broadview(bvbooks)

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原始发表时间:2016-08-03

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