1.3 虛擬現實的發展過程

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展才取得了今天的成果。回顧VR發展軌跡，分析當前發展現狀，深入研究相關支撐技術才能將VR發展到新的高度。

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，這個基于小說情節而出現的眼鏡竟然在未來引發了一場技術革命。這本小說也因此被世人銘記。

隨著科學技術的不斷進步，特別是計算機的出現，VR技術的實現具備了基本條件。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實生活中，VR技術的理念也開始被正式引入應用。

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

20世紀80年代，隨著個人計算機的普及，VR有了更好的生存環境。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頭顯設備Eyephone。但是在那個計算機技術還未成熟的年代，VR的技術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90年代后，VR取得了進一步的發展。雅達利、索尼等眾多公司都擁有了自己的頭戴VR設備。雖然此時的產品大多還都局限于技術研究層面，未能真正普及，但是它們的出現成功地為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利用當時十分前衛的類似3D電影的技術產生立體效果，任天堂曾想用其取代Game Boy（任天堂公司在1989年發售的第一代便攜式掌上游戲機）。

正如虛擬現實定義提出者杰倫·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實世界。利用先進的技術來構造一個虛擬的時空，以填補人們在現實生活中的遺憾，這將成為人們繼續探索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想開始陸續成為實物，VR正在走進人們的生活。

1.3.2 當下VR發展現狀

《頭號玩家》中描述的是一個假想的未來世界的VR技術狀態，但是當下，VR和相關技術還處在快速的發展階段，還沒有能達到電影中所描述的情景。這里簡要介紹一下VR技術在發源地美國，以及歐洲和中國的發展現狀。

1. 美國的VR現狀

美國是VR技術的發源地，擁有主要的VR技術研究機構，其中VR技術的誕生地——NASA的Ames實驗室，引領著VR技術在世界各國發展壯大，如圖1-11所示。美國實驗室對空間信息領域的基礎研究早在20世紀80年代就已經開始，在80年代中期還創建了虛擬視覺環境研究工程，隨后又創建了虛擬界面環境工作機構。

如今，美國的VR產業仍處于全球領先地位。眾多科技公司紛紛推出各種VR相關的軟硬件產品，如微軟公司推出的VR設備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到真實物理環境中，提供了一個看世界的新方式。再比如Valve公司旗下的Steam VR，在內容方面最具優勢，以近500個VR應用／游戲占據VR最多的市場資源。

2. 歐洲的VR現狀

在2016年VR元年的帶動下，歐洲越來越多的公司投身于VR這個新興的產業中，如圖1-12所示。在2017年，The Venture Reality Fund（一家位于硅谷的風投公司，專注于VR和AR領域的投資）和法國的LucidWed（擁有一個龐大的歐洲VR初創公司的數據庫）聯合發布了一份歐洲VR行業面貌圖，收錄了116家歐洲VR技術相關公司，占據了整個歐洲VR產業的半壁江山，展示了歐洲VR產業生態系統的整體風貌，包括應用、內容、工具、平臺以及硬件等。在地區分布上，法國目前在整個歐洲地區的VR發展總體上處于領先地位。

除此之外，英國對歐洲VR產業的貢獻也不可磨滅。英國的研究公司設計的DVS系統試圖將一些VR技術在各領域實際應用中進行標準化，同時該公司還為VR技術設計了先進的環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，導致在實際應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。因此，DVS系統在進行不一樣的操作流程時，VR技術就會展現出不一樣的功能。對VR技術某些方面的研究工作，英國處在較前列，尤其是對于VR技術的處理以及輔助設備設計研究等方面。

3. 中國的VR現狀

我國VR技術研究起步較晚，與歐美地區等發達國家還有一定的差距。隨著計算機圖形學、計算機系統工程等技術的高速發展，VR技術已得到國家有關部門和科學家們的高度重視，其研究與應用也引起了社會各界人士的廣泛關注，呈現出重點高校實驗室和VR技術相關科技公司共同合作研究的態勢。

作為國內最早進行VR研究、最具權威的單位之一，北京航空航天大學虛擬現實技術與系統國家重點實驗室集成了分布式虛擬環境，可以提供實時三維動態數據庫、虛擬現實演示環境、用于飛行訓練的虛擬現實系統、虛擬現實應用系統的開發平臺等多種相關技術。實驗室著重研究虛擬環境中物體物理特性的表示和處理，在視覺接口方面開發出部分硬件，并進行有關算法及實現方法的研究。

除此之外，國內的其他高校也對VR技術進行了不同方向的探索和研究。清華大學國家光盤工程研究中心所做的“布達拉宮”，采用QuickTime技術，實現大全景VR系統。浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發了一套桌面型虛擬建筑環境實時漫游系統，并研制出在虛擬環境中一種新的快速漫游算法和一種遞進網格的快速生成算法。哈爾濱工業大學計算機系已經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問題，并正在研究人說話時手勢和頭勢的動作、語音和語調的同步等。武漢理工大學智能制造與控制研究所研究使用虛擬現實技術進行機械虛擬制造，包括虛擬布局、虛擬裝配和產品原型快速生成等。西安交通大學信息工程研究所進行了虛擬現實中的立體顯示技術這一關鍵技術的研究，在借鑒人類視覺特性的基礎上提出了一種基于JPEG標準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，并且已經通過實驗結果證明了這種方案的優越性。中國科技開發院威海分院研究虛擬現實中視覺接口技術，完成了虛擬現實中的體視圖像的算法回顯及軟件接口，在硬件的開發上已經完成LCD紅外立體眼鏡，并且已經實現商品化。另外，北京工業大學CAD研究中心、北京郵電大學自動化學院、西北工業大學CAD/CAM研究中心、上海交通大學圖像處理模式識別研究所、長沙國防科技大學計算機研究所、華東船舶工業學院計算機系、安徽大學電子工程與科學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技術的研究外，最近幾年國內也涌現出許多從事虛擬現實技術研究的科技公司，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實教室受到了時任國務院副總理汪洋同志的高度評價，2017年，該公司聯合虛擬現實國家重點實驗室、北京航空航天大學開辦了全球首個虛擬現實碩士專業，旨在打造全球規模最大、品質最高的虛擬現實高級學府。2017年11月，其作為全球十大，中國唯一的虛擬現實教育公司入選權威的THE VR FUND H2 2017 VR INDUSTRY LANDSCAPE（VR基金2017年全球虛擬現實百強企業名錄）。

1.3.3 VR發展道路上相互促進的關聯技術

由于VR技術的實現是基于計算機相關技術的，因此它并不孤單，在其發展道路上，有許多的關聯技術，比如計算機仿真、計算機圖形學、人工智能、5G技術和大數據技術等。它們和VR技術緊密聯系，相互促進，共同發展，為VR技術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，是一種定量分析方法。通過建立某一過程或某一系統的模式，來描述該過程或系統，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的特征，從而得出數量指標，為決策者提供關于這一過程或系統的定量分析結果，作為決策的理論依據。

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

2. 計算機圖形學

計算機圖形學是一種使用數學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內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、處理和顯示的相關原理與算法。

VR技術與計算機圖形學是包含關系。VR即做一個虛擬的“現實”出來，除了計算機圖形學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、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學，是計算機科學的一個分支，如圖1-13所示是應用人工智能的場景。它試圖揭示人類智能的本質，并生產出一種新的，能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器，該領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等。

人工智能和VR又有何種關系呢？簡單來說，人工智能能夠創造接受感知的事物，而VR是一個創造被感知的環境。人工智能的事物可以在VR環境中進行模擬和訓練。隨著時間的推移，人工智能會使得虛擬世界中的環境更真實，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準，也稱第五代移動通信技術，通常被縮寫為5G。它是4G之后的延伸，5G網絡的理論下行速度為10Gb/s（相當于下載速度1.25GB/s）。網絡傳輸的發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絡傳輸技術的發展。近兩三年有不少人將5G與VR緊密聯系在一起。Facebook首席執行官扎克伯格甚至認為，VR將成為5G最為重要的殺手級應用。

5G需要VR應用，增強移動寬帶使5G典型應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更重要的應用應該是產業上的應用，如VR應用等，這也是未來運營商的一大業務增長點。同時，VR也需要5G的支持，在VR/AR技術中，語音識別、視線跟蹤、手勢感應等都需要低時延處理，這也同時要求網絡時延必須足夠低。所以，超高速的、超低時延的5G網絡就為VR走進人們的日常生活鋪平了道路。

5. 大數據技術

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

從表面上看，大數據技術和VR技術好像沒有關聯，其實不然，VR可以從很多方面改變大數據。比如，大數據將變為沉浸式，在2D屏幕可視化大量數據幾乎是不可能完成的任務，但VR提供了一種可能性。同時，分析將變成交互式。交互性是理解大數據的關鍵。畢竟，如果沒有動態處理數據的能力，擬真并沒有太多意義。幾十年以來，人們一直在使用靜態數據模型來了解動態數據，但VR為人們提供了動態處理數據的能力。