1.3 虛擬現(xiàn)實的發(fā)展過程

VR概念提出已久。幾十年的歷史中，通過一代代人的完善與發(fā)展才取得了今天的成果?；仡橵R發(fā)展軌跡，分析當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀，深入研究相關(guān)支撐技術(shù)才能將VR發(fā)展到新的高度。

1.3.1 VR概念的提出與演變

1932年，英格蘭作家阿道司·赫胥黎推出長篇小說《美麗新世界》，如圖1-6所示。在小說中，他對未來社會的生活場景進行了暢想，其中提到了一款頭戴式設(shè)備，它可以為人們提供圖像、氣味和聲音等感官體驗。雖然這款設(shè)備的具體名稱在書中并沒有提及，但是從今天的視角來看，這就是一款不折不扣的VR設(shè)備。

1935年，小說家愛斯坦利·溫鮑姆在小說《皮格馬利翁的眼鏡》中同樣描述了一款VR眼鏡，能夠讓使用者實現(xiàn)視覺、嗅覺、觸覺等全方位沉浸式體驗，如圖1-7所示。然而連溫鮑姆都沒有想到的是，這個基于小說情節(jié)而出現(xiàn)的眼鏡竟然在未來引發(fā)了一場技術(shù)革命。這本小說也因此被世人銘記。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，特別是計算機的出現(xiàn)，VR技術(shù)的實現(xiàn)具備了基本條件。1958年誕生了第一臺VR模型——Sensorama，稍后在1968年“達摩克利斯之劍”誕生在“VR之父”伊凡·蘇澤蘭的手中，如圖1-8所示。溫鮑姆在小說中描述的眼鏡被真正帶到了人們的現(xiàn)實生活中，VR技術(shù)的理念也開始被正式引入應(yīng)用。

20世紀(jì)70年代，NASA（National Aeronautics and Space Administration，美國國家航空航天局）也開始了在VR領(lǐng)域的研究和嘗試。經(jīng)過一段時間的研究，由NASA自行研發(fā)的虛擬現(xiàn)實設(shè)備正式投入到了航天領(lǐng)域中。

20世紀(jì)80年代，隨著個人計算機的普及，VR有了更好的生存環(huán)境。越來越多的人開始投入到對VR的鉆研之中。1982年，游戲公司雅達利率先開始著手于VR街機項目的研究。1984年杰倫·拉尼爾創(chuàng)辦VPL Research公司，并且很快推出了世界上第一臺面向市場的VR頭顯設(shè)備Eyephone。但是在那個計算機技術(shù)還未成熟的年代，VR的技術(shù)條件顯然無法被支撐，10萬美元的天價使得Eyephone未能普及，如圖1-9所示。

20世紀(jì)90年代后，VR取得了進一步的發(fā)展。雅達利、索尼等眾多公司都擁有了自己的頭戴VR設(shè)備。雖然此時的產(chǎn)品大多還都局限于技術(shù)研究層面，未能真正普及，但是它們的出現(xiàn)成功地為VR走向大眾打開了一扇門。其中最具代表性的還要數(shù)1994年日本游戲公司世嘉的Sega VR-1和任天堂的Virtual Boy，如圖1-10所示。Virtual Boy利用當(dāng)時十分前衛(wèi)的類似3D電影的技術(shù)產(chǎn)生立體效果，任天堂曾想用其取代Game Boy（任天堂公司在1989年發(fā)售的第一代便攜式掌上游戲機）。

正如虛擬現(xiàn)實定義提出者杰倫·拉尼爾所說，VR實際上注重的是通過打造虛擬世界來完善現(xiàn)實世界。利用先進的技術(shù)來構(gòu)造一個虛擬的時空，以填補人們在現(xiàn)實生活中的遺憾，這將成為人們繼續(xù)探索VR的精神支撐和直接動力。隨著越來越多的人開始進入探索VR的征途，原本只能存在于小說和電影中的設(shè)想開始陸續(xù)成為實物，VR正在走進人們的生活。

1.3.2 當(dāng)下VR發(fā)展現(xiàn)狀

《頭號玩家》中描述的是一個假想的未來世界的VR技術(shù)狀態(tài)，但是當(dāng)下，VR和相關(guān)技術(shù)還處在快速的發(fā)展階段，還沒有能達到電影中所描述的情景。這里簡要介紹一下VR技術(shù)在發(fā)源地美國，以及歐洲和中國的發(fā)展現(xiàn)狀。

1. 美國的VR現(xiàn)狀

美國是VR技術(shù)的發(fā)源地，擁有主要的VR技術(shù)研究機構(gòu)，其中VR技術(shù)的誕生地——NASA的Ames實驗室，引領(lǐng)著VR技術(shù)在世界各國發(fā)展壯大，如圖1-11所示。美國實驗室對空間信息領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始，在80年代中期還創(chuàng)建了虛擬視覺環(huán)境研究工程，隨后又創(chuàng)建了虛擬界面環(huán)境工作機構(gòu)。

如今，美國的VR產(chǎn)業(yè)仍處于全球領(lǐng)先地位。眾多科技公司紛紛推出各種VR相關(guān)的軟硬件產(chǎn)品，如微軟公司推出的VR設(shè)備Microsoft HoloLens，擁有可透視鏡片、立體音效、先進傳感器、全息影像處理器，是第一臺運行Windows 10系統(tǒng)的全息計算機，不受任何限制——沒有線纜和聽筒，并且不需要連接計算機。Microsoft HoloLens能夠讓用戶把一個全息圖像釘?shù)秸鎸嵨锢憝h(huán)境中，提供了一個看世界的新方式。再比如Valve公司旗下的Steam VR，在內(nèi)容方面最具優(yōu)勢，以近500個VR應(yīng)用／游戲占據(jù)VR最多的市場資源。

2. 歐洲的VR現(xiàn)狀

在2016年VR元年的帶動下，歐洲越來越多的公司投身于VR這個新興的產(chǎn)業(yè)中，如圖1-12所示。在2017年，The Venture Reality Fund（一家位于硅谷的風(fēng)投公司，專注于VR和AR領(lǐng)域的投資）和法國的LucidWed（擁有一個龐大的歐洲VR初創(chuàng)公司的數(shù)據(jù)庫）聯(lián)合發(fā)布了一份歐洲VR行業(yè)面貌圖，收錄了116家歐洲VR技術(shù)相關(guān)公司，占據(jù)了整個歐洲VR產(chǎn)業(yè)的半壁江山，展示了歐洲VR產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的整體風(fēng)貌，包括應(yīng)用、內(nèi)容、工具、平臺以及硬件等。在地區(qū)分布上，法國目前在整個歐洲地區(qū)的VR發(fā)展總體上處于領(lǐng)先地位。

除此之外，英國對歐洲VR產(chǎn)業(yè)的貢獻也不可磨滅。英國的研究公司設(shè)計的DVS系統(tǒng)試圖將一些VR技術(shù)在各領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用中進行標(biāo)準(zhǔn)化，同時該公司還為VR技術(shù)設(shè)計了先進的環(huán)境編輯語言并投入實際編輯工作中。雖然由于編輯語言的不同，導(dǎo)致在實際應(yīng)用中的操作模型不盡相同，但是這些模型都可以與編輯語言一一對應(yīng)。因此，DVS系統(tǒng)在進行不一樣的操作流程時，VR技術(shù)就會展現(xiàn)出不一樣的功能。對VR技術(shù)某些方面的研究工作，英國處在較前列，尤其是對于VR技術(shù)的處理以及輔助設(shè)備設(shè)計研究等方面。

3. 中國的VR現(xiàn)狀

我國VR技術(shù)研究起步較晚，與歐美地區(qū)等發(fā)達國家還有一定的差距。隨著計算機圖形學(xué)、計算機系統(tǒng)工程等技術(shù)的高速發(fā)展，VR技術(shù)已得到國家有關(guān)部門和科學(xué)家們的高度重視，其研究與應(yīng)用也引起了社會各界人士的廣泛關(guān)注，呈現(xiàn)出重點高校實驗室和VR技術(shù)相關(guān)科技公司共同合作研究的態(tài)勢。

作為國內(nèi)最早進行VR研究、最具權(quán)威的單位之一，北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室集成了分布式虛擬環(huán)境，可以提供實時三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實演示環(huán)境、用于飛行訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺等多種相關(guān)技術(shù)。實驗室著重研究虛擬環(huán)境中物體物理特性的表示和處理，在視覺接口方面開發(fā)出部分硬件，并進行有關(guān)算法及實現(xiàn)方法的研究。

除此之外，國內(nèi)的其他高校也對VR技術(shù)進行了不同方向的探索和研究。清華大學(xué)國家光盤工程研究中心所做的“布達拉宮”，采用QuickTime技術(shù)，實現(xiàn)大全景VR系統(tǒng)。浙江大學(xué)CAD&CG國家重點實驗室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)，并研制出在虛擬環(huán)境中一種新的快速漫游算法和一種遞進網(wǎng)格的快速生成算法。哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機系已經(jīng)成功地合成人的高級行為中的特定人臉圖像，解決了表情合成和唇動合成技術(shù)問題，并正在研究人說話時手勢和頭勢的動作、語音和語調(diào)的同步等。武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所研究使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行機械虛擬制造，包括虛擬布局、虛擬裝配和產(chǎn)品原型快速生成等。西安交通大學(xué)信息工程研究所進行了虛擬現(xiàn)實中的立體顯示技術(shù)這一關(guān)鍵技術(shù)的研究，在借鑒人類視覺特性的基礎(chǔ)上提出了一種基于JPEG標(biāo)準(zhǔn)來壓縮編碼的新方案，并獲得了較高的壓縮比、信噪比以及解壓速度，并且已經(jīng)通過實驗結(jié)果證明了這種方案的優(yōu)越性。中國科技開發(fā)院威海分院研究虛擬現(xiàn)實中視覺接口技術(shù)，完成了虛擬現(xiàn)實中的體視圖像的算法回顯及軟件接口，在硬件的開發(fā)上已經(jīng)完成LCD紅外立體眼鏡，并且已經(jīng)實現(xiàn)商品化。另外，北京工業(yè)大學(xué)CAD研究中心、北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院、西北工業(yè)大學(xué)CAD/CAM研究中心、上海交通大學(xué)圖像處理模式識別研究所、長沙國防科技大學(xué)計算機研究所、華東船舶工業(yè)學(xué)院計算機系、安徽大學(xué)電子工程與科學(xué)系等單位也進行了一些研究工作和嘗試。

除了各大高校對VR技術(shù)的研究外，最近幾年國內(nèi)也涌現(xiàn)出許多從事虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究的科技公司，如HTC威愛教育。2016年8月，HTC威愛教育推出的全球第一套虛擬現(xiàn)實教室受到了時任國務(wù)院副總理汪洋同志的高度評價，2017年，該公司聯(lián)合虛擬現(xiàn)實國家重點實驗室、北京航空航天大學(xué)開辦了全球首個虛擬現(xiàn)實碩士專業(yè)，旨在打造全球規(guī)模最大、品質(zhì)最高的虛擬現(xiàn)實高級學(xué)府。2017年11月，其作為全球十大，中國唯一的虛擬現(xiàn)實教育公司入選權(quán)威的THE VR FUND H2 2017 VR INDUSTRY LANDSCAPE（VR基金2017年全球虛擬現(xiàn)實百強企業(yè)名錄）。

1.3.3 VR發(fā)展道路上相互促進的關(guān)聯(lián)技術(shù)

由于VR技術(shù)的實現(xiàn)是基于計算機相關(guān)技術(shù)的，因此它并不孤單，在其發(fā)展道路上，有許多的關(guān)聯(lián)技術(shù)，比如計算機仿真、計算機圖形學(xué)、人工智能、5G技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等。它們和VR技術(shù)緊密聯(lián)系，相互促進，共同發(fā)展，為VR技術(shù)走進千家萬戶一起努力。

1. 計算機仿真

計算機仿真是一種描述性技術(shù)，是一種定量分析方法。通過建立某一過程或某一系統(tǒng)的模式，來描述該過程或系統(tǒng)，然后用一系列有目的、有條件的計算機仿真實驗來刻畫系統(tǒng)的特征，從而得出數(shù)量指標(biāo)，為決策者提供關(guān)于這一過程或系統(tǒng)的定量分析結(jié)果，作為決策的理論依據(jù)。

而VR技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真技術(shù)，它利用計算機生成一種結(jié)合了多源信息融合、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的模擬環(huán)境，并使用戶沉浸到該環(huán)境中，以直接觀察的方式獲得最直觀的仿真結(jié)果。

2. 計算機圖形學(xué)

計算機圖形學(xué)是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計算機顯示器的柵格形式的科學(xué)。簡單地說，計算機圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容就是研究如何在計算機中表示圖形、如何用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。

VR技術(shù)與計算機圖形學(xué)是包含關(guān)系。VR即做一個虛擬的“現(xiàn)實”出來，除了計算機圖形學(xué)需要做的視覺方面的展示外，還要將圖形渲染出的效果再呈現(xiàn)為3D畫面，以被人眼直接觀察到，VR還包括聽覺、觸覺、嗅覺等視覺之外感官的反饋。

3. 人工智能

人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)，是計算機科學(xué)的一個分支，如圖1-13所示是應(yīng)用人工智能的場景。它試圖揭示人類智能的本質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的，能以人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機器，該領(lǐng)域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。

人工智能和VR又有何種關(guān)系呢？簡單來說，人工智能能夠創(chuàng)造接受感知的事物，而VR是一個創(chuàng)造被感知的環(huán)境。人工智能的事物可以在VR環(huán)境中進行模擬和訓(xùn)練。隨著時間的推移，人工智能會使得虛擬世界中的環(huán)境更真實，讓虛擬的人更像人，讓虛擬的場景更逼真。

4. 5G通信

第五代移動電話行動通信標(biāo)準(zhǔn)，也稱第五代移動通信技術(shù)，通常被縮寫為5G。它是4G之后的延伸，5G網(wǎng)絡(luò)的理論下行速度為10Gb/s（相當(dāng)于下載速度1.25GB/s）。網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌l(fā)展不斷帶動終端的革新，從PC到功能手機，再到智能手機的演進都離不開網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展。近兩三年有不少人將5G與VR緊密聯(lián)系在一起。Facebook首席執(zhí)行官扎克伯格甚至認為，VR將成為5G最為重要的殺手級應(yīng)用。

5G需要VR應(yīng)用，增強移動寬帶使5G典型應(yīng)用場景的下載速率可達到1Gb/s，峰值速率可達到10Gb/s以上。但是，如果5G只帶給大家更寬的帶寬、更高的速率，顯然還是不夠。中國工程院院士鄔賀銓認為，未來5G更重要的應(yīng)用應(yīng)該是產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用，如VR應(yīng)用等，這也是未來運營商的一大業(yè)務(wù)增長點。同時，VR也需要5G的支持，在VR/AR技術(shù)中，語音識別、視線跟蹤、手勢感應(yīng)等都需要低時延處理，這也同時要求網(wǎng)絡(luò)時延必須足夠低。所以，超高速的、超低時延的5G網(wǎng)絡(luò)就為VR走進人們的日常生活鋪平了道路。

5. 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)是指無法在一定時間范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具進行捕捉、管理和處理的數(shù)據(jù)集合，是需要新處理模式才能處理的，具有更強的決策力、洞察力和流程優(yōu)化能力的海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)。而大數(shù)據(jù)技術(shù)就是對這些海量的數(shù)據(jù)進行處理和分析。

從表面上看，大數(shù)據(jù)技術(shù)和VR技術(shù)好像沒有關(guān)聯(lián)，其實不然，VR可以從很多方面改變大數(shù)據(jù)。比如，大數(shù)據(jù)將變?yōu)槌两剑?D屏幕可視化大量數(shù)據(jù)幾乎是不可能完成的任務(wù)，但VR提供了一種可能性。同時，分析將變成交互式。交互性是理解大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。畢竟，如果沒有動態(tài)處理數(shù)據(jù)的能力，擬真并沒有太多意義。幾十年以來，人們一直在使用靜態(tài)數(shù)據(jù)模型來了解動態(tài)數(shù)據(jù)，但VR為人們提供了動態(tài)處理數(shù)據(jù)的能力。