早在50年前，虛擬現(xiàn)實(shí)就已出現(xiàn)，如今它有變革人類視覺體驗(yàn)之勢。在虛擬現(xiàn)實(shí)重構(gòu)的世界里，我們不僅有視、聽、觸、嗅等感覺，而且它們將變得愈發(fā)真實(shí)，與現(xiàn)實(shí)世界無異。與虛擬現(xiàn)實(shí)相對應(yīng)的，還有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及混合現(xiàn)實(shí)，它們在改變?nèi)祟愐曈X體驗(yàn)的同時(shí)，也在真切地變革我們的生活。我們既可用它們來購物，也可進(jìn)行模擬駕駛，甚至還可用它來治療疾病。盡管目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仍有許多缺陷，但它注定會(huì)在不遠(yuǎn)的將來影響我們每一個(gè)人。本文來自上海交通大學(xué)軟件學(xué)院教授楊旭波日前在“新民科學(xué)咖啡館”活動(dòng)的分享。

早在50多年前，美國電影攝影師莫頓·海利希(Morton Heilig)就發(fā)明了一臺(tái)叫Sensorama的機(jī)器，它就像現(xiàn)在的大型游戲機(jī)一樣，當(dāng)我們把頭放進(jìn)這臺(tái)機(jī)器里后，不僅會(huì)有3D的視覺，還能聞到氣味、聽到聲音。由于海利希以及機(jī)器自身的缺陷，例如沒有互動(dòng)性，僅靠事先做好的畫面播放，因此Sensorama機(jī)器當(dāng)時(shí)并沒有得到很好的反響。

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頭戴顯示器的發(fā)展需回溯到上世紀(jì)60年代。1968年，擁有美國麻省理工學(xué)院博士學(xué)位的科學(xué)家伊凡·蘇澤蘭(Ivan Sutherland)，在實(shí)驗(yàn)室里做了一個(gè)名為達(dá)摩克利斯劍的頭戴顯示器，這個(gè)顯示器用的是CRT顯示技術(shù)，可追蹤頭部的動(dòng)作，往哪邊看就會(huì)有感應(yīng)，可以實(shí)時(shí)計(jì)算眼睛看到的畫面。不過那時(shí)候計(jì)算機(jī)能力非常差，顯示的像素也非常低。蘇澤蘭當(dāng)時(shí)還寫了一篇很有名的論文“終極顯示”，他設(shè)想未來的顯示器應(yīng)該能夠達(dá)到分不清真實(shí)與虛擬。當(dāng)我們戴上這個(gè)以后，就會(huì)看到另一個(gè)世界，在這個(gè)虛擬的世界里，我們的感覺都是真的，有點(diǎn)像《黑客帝國》描述的那樣。但實(shí)際上，即使是現(xiàn)在，我們離他的設(shè)想還很遠(yuǎn)。

至于頭戴式顯示器的思想，最早可追溯到1613年，伽利略時(shí)代就有一個(gè)頭盔望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)，通過這種方式可以看到遠(yuǎn)處的東西就在眼前，也有很好的沉浸感。今天的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)頭盔Oculus跟這些早期頭戴顯示設(shè)備長得比較像，只是現(xiàn)在非常便宜了，以前這樣的設(shè)備非常昂貴，一般人接觸不到。2006 年，東芝(Toshiba)公司出了這樣的一個(gè)設(shè)備，但設(shè)計(jì)上很失敗，戴上去像怪物一樣。2014年，一個(gè)名為Oculus的創(chuàng)新公司，讓虛擬現(xiàn)實(shí)重新火熱起來，這并非僅僅因?yàn)榧夹g(shù)上的革命性突破，還因?yàn)槠涞土膬r(jià)格，讓普通民眾僅以300至350美元即可購買到開發(fā)版的頭戴顯示器。Facebook花費(fèi) 20億美元收購這家公司，也令人對其刮目相看。

三星公司也設(shè)計(jì)出廉價(jià)的頭戴顯示器Gear VR，當(dāng)把三星手機(jī)放到這個(gè)盒子里面就可以用。谷歌的紙盒眼鏡Cardboard則更便宜，我們甚至可以利用谷歌開放的設(shè)計(jì)圖，買兩個(gè)透鏡，用紙板自己動(dòng)手做。谷歌主要推安卓手機(jī)，當(dāng)手機(jī)裝上應(yīng)用程序后，手機(jī)就會(huì)分成兩個(gè)屏幕，左右兩個(gè)眼睛可看到不一樣的畫面，產(chǎn)生立體的效果。當(dāng)我們轉(zhuǎn)動(dòng)的信息被手機(jī)的傳感器檢測到時(shí)，就可以看到互動(dòng)的效果，但這個(gè)比Oculus的舒適度差一些，因?yàn)榫嚯x難以調(diào)節(jié)，加上計(jì)算能力手機(jī)要比PC機(jī)差很多，但它仍可獲得較好的沉浸感。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：在現(xiàn)實(shí)中觸碰虛擬世界

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)，簡稱VR，這兩個(gè)詞組合在一起看似矛盾，一個(gè)虛擬一個(gè)現(xiàn)實(shí)，但都在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中體現(xiàn)，由計(jì)算機(jī)生成虛擬世界，人們通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)入到這個(gè)虛構(gòu)的世界里。在這個(gè)世界里，我們可通過視覺、聽覺以及觸覺進(jìn)行感知，也有人在研究嗅覺和味覺。

虛擬現(xiàn)實(shí)有如下幾個(gè)特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)生成、多通道感知、沉浸感以及想象力。當(dāng)我們把虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器放在眼前，即可進(jìn)入到另一個(gè)世界。盡管一部電影也可能會(huì)帶來沉浸感，但是它沒有交互性。而在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，這種沉浸感有交互性，當(dāng)我們頭動(dòng)一下，即可看到不同的角度的場景。至于想象力方面，應(yīng)該說這個(gè)虛擬的世界是我們構(gòu)想出來的。它可以是現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)制，比如開會(huì)，戴上頭盔之后，我們可能置身于舊金山一個(gè)會(huì)議室;也可以是想象出來的卡通世界，是你兒時(shí)從書本中看過的一個(gè)童話世界，現(xiàn)實(shí)中它根本不存在。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要包括如下幾個(gè)方面：首先是內(nèi)容，它的核心是一個(gè)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)圖形和仿真器，然后是用戶界面：一個(gè)輸入，一個(gè)輸出，這是非常簡單的關(guān)系，輸入主要是對應(yīng)用戶的頭、眼睛、手以及整個(gè)身體動(dòng)作的追蹤，當(dāng)把這些身體的信息代入到虛擬現(xiàn)實(shí)世界里，身體如何動(dòng)，系統(tǒng)一旦感知到，就會(huì)給予一個(gè)相應(yīng)的反饋。

事實(shí)上，虛擬現(xiàn)實(shí)是多學(xué)科結(jié)合的領(lǐng)域。從學(xué)科角度來說，其核心是計(jì)算機(jī)圖形和仿真，此外還有計(jì)算機(jī)軟硬件、圖像與視覺、人工智能等技術(shù)，由于要用到視覺、觸覺、聽覺等多感知通道，還會(huì)涉及到光、聲、電、機(jī)械等。雖然Oculus已經(jīng)設(shè)計(jì)得還算不錯(cuò)，但戴十幾分鐘，眼睛仍可能會(huì)有點(diǎn)難受，還會(huì)頭暈。目前，全球頂尖學(xué)者都在研究人機(jī)工程問題，如何設(shè)計(jì)得更加舒適，當(dāng)我們戴上眼鏡后，有人會(huì)有大腦被三維虛擬環(huán)境控制的感覺，這可能會(huì)帶來心理上的沖擊，因此虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用還會(huì)涉及到心理學(xué)、社會(huì)學(xué)等問題。

虛擬的內(nèi)容最初一般由建模師通過三維電腦軟件在屏幕上構(gòu)建出來，例如，從一個(gè)簡單的模型開始漸漸構(gòu)造出復(fù)雜的角色模型，在電腦上設(shè)計(jì)出來之后，再賦予它們動(dòng)作，最后貼上皮膚的紋理，這樣就造出來一個(gè)虛擬的角色形象。還有一種虛擬內(nèi)容，它不靠人工，而是靠一種特殊的相機(jī)——全景相機(jī)。這個(gè)相機(jī)有很多鏡頭，可以把360度的畫面全部拍下來，數(shù)據(jù)也可以在虛擬現(xiàn)實(shí)中展現(xiàn)，這是將來一個(gè)重要的應(yīng)用方向。兩會(huì)期間也有一些記者用到了這樣的攝像頭，配上虛擬現(xiàn)實(shí)的頭盔，我們可以從各個(gè)角度觀看，也可以把數(shù)據(jù)存下來放給其他的人看。

當(dāng)然頭盔并不是虛擬現(xiàn)實(shí)的唯一形式，還有很多其他形式，例如CAVE是通過投影儀構(gòu)建的，可模擬四面墻或六面墻，每個(gè)墻都用立體投影儀投出來，帶上立體眼鏡就很有沉浸感，但造價(jià)非常高。1999年，我在浙江大學(xué)參與安裝過這樣的一套系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)設(shè)備耗費(fèi)約250萬人民幣。還有環(huán)幕投影，造價(jià)相對低一點(diǎn)，在博物館、展覽館可看到，它應(yīng)該算半沉浸式，因?yàn)檎麄€(gè)視野沒有完全被覆蓋，當(dāng)人轉(zhuǎn)過去以后，感覺又回到現(xiàn)實(shí)世界。

接下來是輸入設(shè)備方面。輸入設(shè)備需要捕捉人的信號，怎么把人的動(dòng)作信號帶到虛擬環(huán)境里去?最常用的設(shè)備是運(yùn)動(dòng)捕獲設(shè)備，例如這里的演員做一些動(dòng)作，通過很多攝像頭拍下來，再把這個(gè)動(dòng)作放到虛擬的角色上去。輸入設(shè)備又分兩種：一種是光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕獲設(shè)備，相機(jī)加上紅外線，人身上有很多發(fā)光的點(diǎn)，靠計(jì)算機(jī)計(jì)算能力實(shí)時(shí)算出動(dòng)作，但它有一個(gè)缺點(diǎn)就是容易被遮擋;另一個(gè)是慣性傳感設(shè)備，用戶身上裝了很多，手動(dòng)一下就有一個(gè)慣性數(shù)據(jù)，可以算出角度。還有臉部動(dòng)作捕獲，電影里會(huì)經(jīng)常使用，以前是在臉上加很多點(diǎn)，但現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展了很多，不用在臉上鋪點(diǎn)，而是直接用計(jì)算機(jī)視覺的算法來算，目前已經(jīng)可做到實(shí)時(shí)。

除了臉部模擬以外，還有一種數(shù)據(jù)手套，當(dāng)戴上這個(gè)特殊的手套后，手活動(dòng)時(shí)每個(gè)關(guān)節(jié)角度，可被手套感知到，如模擬手握杯子，通過一個(gè)力反饋設(shè)備給手部一個(gè)反饋力量，雖然沒有杯子，但通過設(shè)備施加的外力，我們可以感覺到拿了一個(gè)杯子樣的東西。目前這一領(lǐng)域仍有很多技術(shù)難點(diǎn)沒有突破。

總結(jié)一下，虛擬現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)是一種新的計(jì)算平臺(tái)、一種新的通訊平臺(tái)和交互界面。從計(jì)算機(jī)發(fā)展來看，最早是大型機(jī)，一個(gè)計(jì)算機(jī)占據(jù)整個(gè)房子。彼時(shí)人是渺小的，人需要適應(yīng)計(jì)算機(jī)，后來個(gè)人電腦出現(xiàn)的時(shí)候，人類將電腦變得越來越小，等到手機(jī)出現(xiàn)的時(shí)候，我們可以隨時(shí)進(jìn)行計(jì)算。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)該是下一個(gè)新的計(jì)算平臺(tái)，不再是你感覺跟計(jì)算機(jī)的世界隔著個(gè)屏幕，而是以后你感覺計(jì)算機(jī)構(gòu)造的世界跟現(xiàn)實(shí)世界相互融合，盡管目前還是通過屏幕的方式展現(xiàn)，以后就可能分不清在哪個(gè)世界里，這是一個(gè)發(fā)展趨勢，計(jì)算機(jī)將逐漸適應(yīng)人的習(xí)慣。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：一個(gè)同樣令人驚艷的技術(shù)

有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)之間的關(guān)系，很多人可能并不能準(zhǔn)確地區(qū)分它們，另外還有一個(gè)叫混合現(xiàn)實(shí)?；旌犀F(xiàn)實(shí)是一個(gè)從真實(shí)世界到虛擬世界的過渡， 包含了虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)已有很多代表性的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，如谷歌眼鏡，但它不太成功。微軟也剛推出了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡產(chǎn)品Hololens，賣得比較貴，大概3000美金，它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是半透明的，因?yàn)槲覀內(nèi)孕枰吹秸鎸?shí)的現(xiàn)實(shí)情景，而以O(shè)culus為代表的虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡前面則是不透光的，別人看不到你的眼睛，你也看不到周圍的東西，這是它們之間主要區(qū)別所在，但未來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用面更廣。

例如，當(dāng)我們對著鏡子穿衣服時(shí)，可通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)讓自己換上一件別的衣服或裙子，或合適的款式，這就是所謂的虛擬試衣。它還可應(yīng)用于遠(yuǎn)程會(huì)議，當(dāng)戴上增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的眼鏡之后，我們可看到虛構(gòu)的桌子以及從遠(yuǎn)處傳過來的參會(huì)者影像，盡管它們置身于不同的空間，但此刻如同在同一個(gè)環(huán)境下討論問題。最近，微軟推出一個(gè)視頻，通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡，即使你的孩子不在身邊，在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的情景里，他(她)可被置身于同一個(gè)房間，讓你感覺到小孩就在跟前。不過這方面現(xiàn)在做不到這么好，有一些概念性的成分，還有很多缺陷。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)還可用于汽車導(dǎo)航，如果我們看導(dǎo)航信息，需低頭看汽車面板，這樣可能會(huì)分心。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，導(dǎo)航的信息直接顯示在擋風(fēng)玻璃上，這樣就可以看到路面信息。

虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用：未來前景無限

虛擬現(xiàn)實(shí)除了可用于影視游戲等娛樂應(yīng)用之外，在其他非娛樂的應(yīng)用領(lǐng)域也前景廣闊。虛擬現(xiàn)實(shí)同樣也可用于虛擬試衣，這是阿里巴巴的“Buy+”計(jì)劃，今年3月剛推出概念，戴上虛擬現(xiàn)實(shí)的眼鏡之后，人們可通過虛擬模特身上的衣服來進(jìn)行選擇和購買。很多汽車公司也開始利用虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡進(jìn)行模擬駕駛，讓用戶體驗(yàn)開車時(shí)的感受，但不能真的開到路上。此外，還可做虛擬旅游，戴上眼鏡后，可體驗(yàn)以前從未去過的地方，身臨其境。此外，還可以虛擬看房或設(shè)計(jì)房子，我們可事先讓設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬圖景，通過體驗(yàn)，我們還可以糾正需要改造的地方。

日常生活體驗(yàn)可對我們的大腦有影響，同樣虛擬的體驗(yàn)也能影響大腦，因此虛擬現(xiàn)實(shí)還可用于心理治療，很多有抑郁癥的人，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助治療可以得到一些改善。對于社交恐懼癥患者來說，他們平時(shí)不敢對很多人說話，在虛擬的世界，你知道這是假的，心理會(huì)放松防線，更容易跟其他人交流，從而逐漸提高社交能力。再比如，有很多人害怕蜘蛛，通過虛擬現(xiàn)實(shí)模擬，蜘蛛“近”在眼前，盡管你很難抗拒潛意識(shí)中的害怕，但是可以通過這種方式逐漸“脫敏”?？指甙Y同樣可通過虛擬現(xiàn)實(shí)得到緩解。

心理學(xué)家還用虛擬現(xiàn)實(shí)來進(jìn)行其他治療，例如燒傷患者非常痛苦，尤其是給他換藥的時(shí)候，如果有醫(yī)生把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用到他們身上，讓他戴上一個(gè)頭盔，看到一個(gè)冰涼的世界，大腦相應(yīng)做出反應(yīng)，疼痛感會(huì)減弱。在美國911恐怖襲擊之后，很多人心理創(chuàng)傷很大，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，把患者帶回到當(dāng)時(shí)的環(huán)境，這也是一個(gè)類似于“脫敏”的治療，從而使患者心理上得到疏解，目前證明可以起到比較明顯的效果。此外還有對自閉癥患者的治療，他們不愿跟人交流，難以親近，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓他們在虛擬的世界里玩游戲，并逐漸接受自己在其中的角色，然后鍛煉跟人交往的技巧。研究發(fā)現(xiàn)治療前后患者大腦的活躍度有明顯改善，這說明虛擬現(xiàn)實(shí)起到了良好的作用。

在醫(yī)療方面，虛擬現(xiàn)實(shí)還可用來訓(xùn)練醫(yī)生。當(dāng)前醫(yī)生培訓(xùn)代價(jià)比較高，既缺少設(shè)備，同時(shí)人又非常多，我們可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，幫助醫(yī)生練習(xí)手術(shù)。例如，在虛擬的世界里，連接力反饋的設(shè)備可模仿一個(gè)手術(shù)刀，當(dāng)手術(shù)刀碰到虛擬器官之后，會(huì)有一個(gè)力反饋，也會(huì)模擬器官的形變，通過這種方式醫(yī)生可以得到手術(shù)技能的鍛煉。

對于學(xué)習(xí)和教育來說，虛擬現(xiàn)實(shí)也是非常有幫助的。通常來說，小孩對形象直觀的東西容易接受，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，把一些比較抽象的東西，以直觀方式表現(xiàn)出來，這樣可提高他們的記憶能力和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，通過這種方式他們既愿意學(xué)習(xí)，又覺得很好玩，此外也可以增強(qiáng)小孩子間的合作。

總的來說，虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)誕生50多年，由于以前成本太高，它最近才剛剛走近大眾。虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)它們之間相關(guān)，又各有特點(diǎn)，但核心都是以實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)圖形為主，應(yīng)用也在不斷拓廣。通過與互聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、人工智能以及大數(shù)據(jù)進(jìn)一步結(jié)合，虛擬現(xiàn)實(shí)的未來應(yīng)用會(huì)更廣泛。(演講 | 楊旭波(上海交通大學(xué)軟件學(xué)院教授) 整理 | 葉水送)