虚拟现实的发展史 VR未来无限可能

2024-12-18上海AR开发专家

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  编者按:
  早在50年前,虚拟现实技术就已初见端倪,近年来,这项技术重新火热起来,大有变革人类视觉体验之势。在虚拟现实重构的世界里,我们不仅有视、听、触、嗅等感觉,而且它们将变得愈发真实,与现实世界无异。与虚拟现实相对应的,还有
  增强现实
  以及
  混合现实
  ,它们在改变人类视觉体验的同时,也在真切地变革我们的生活。我们既可用它们来购物,也可进行模拟驾驶,甚至还可用它来治疗疾病。尽管目前虚拟现实技术仍有许多缺陷,但它注定会在不远的将来影响我们每一个人。本文来自上海交通大学软件学院教授杨旭波日前在“新民科学咖啡馆”活动的分享。
  演讲 | 杨旭波(上海交通大学软件学院教授)
  整理 | 叶水送
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  早在50多年前,美国电影摄影师莫顿·海利希(Morton Heilig)就发明了一台叫Sensorama的机器,它就像现在的大型游戏机一样,当我们把头放进这台机器里后,不仅会有3D的视觉,还能闻到气味、听到声音。由于海利希以及机器自身的缺陷,例如没有互动性,仅靠事先做好的画面播放,因此Sensorama机器当时并没有得到很好的反响。
  ►最早的虚拟现实体验机Sensorama。来源:wikipedia
  ►虚拟现实的早期开拓者Morton Heilig。
  头戴显示器的发展需回溯到上世纪60年代。1968年,拥有美国麻省理工学院博士学位的科学家伊凡·苏泽兰(Ivan Sutherland),在实验室里做了一个名为达摩克利斯剑的头戴显示器,这个显示器用的是CRT显示技术,可追踪头部的动作,往哪边看就会有感应,可以实时计算眼睛看到的画面。不过那时候计算机能力非常差,显示的像素也非常低。苏泽兰当时还写了一篇很有名的论文“终极显示”,他设想未来的显示器应该能够达到分不清真实与虚拟。当我们戴上这个以后,就会看到另一个世界,在这个虚拟的世界里,我们的感觉都是真的,有点像《黑客帝国》描述的那样。但实际上,即使是现在,我们离他的设想还很远。
  至于头戴式显示器的思想,最早可追溯到1613年,伽利略时代就有一个头盔望远镜的设计,通过这种方式可以看到远处的东西就在眼前,也有很好的沉浸感。今天的虚拟现实技术头盔
  Oculus
  跟这些早期头戴显示设备长得比较像,只是现在非常便宜了,以前这样的设备非常昂贵,一般人接触不到。2006年,东芝(Toshiba)公司出了这样的一个设备,但设计上很失败,戴上去像怪物一样。2014年,一个名为Oculus的创新公司,让虚拟现实重新火热起来,这并非仅仅因为技术上的革命性突破,还因为其低廉的价格,让普通民众仅以300至350美元即可购买到开发版的头戴显示器。Facebook花费20亿美元收购这家公司,也令人对其刮目相看。
  三星公司也设计出廉价的头戴显示器Gear VR,当把三星手机放到这个盒子里面就可以用。谷歌的纸盒眼镜Cardboard则更便宜,我们甚至可以利用谷歌开放的设计图,买两个透镜,用纸板自己动手做。谷歌主要推安卓手机,当手机装上应用程序后,手机就会分成两个屏幕,左右两个眼睛可看到不一样的画面,产生立体的效果。当我们转动的信息被手机的传感器检测到时,就可以看到互动的效果,但这个比Oculus的舒适度差一些,因为距离难以调节,加上计算能力手机要比PC机差很多,但它仍可获得较好的沉浸感。
  虚拟现实技术:在现实中触碰虚拟世界
  虚拟现实(Virtual Reality),简称VR,这两个词组合在一起看似矛盾,一个虚拟一个现实,但都在虚拟现实环境中体现,由计算机生成虚拟世界,人们通过虚拟现实系统进入到这个虚构的世界里。在这个世界里,我们可通过视觉、听觉以及触觉进行感知,也有人在研究嗅觉和味觉。
  虚拟现实有如下几个特点:计算机生成、多通道感知、沉浸感以及想象力。当我们把虚拟现实头戴显示器放在眼前,即可进入到另一个世界。尽管一部电影也可能会带来沉浸感,但是它没有交互性。而在虚拟现实系统中,这种沉浸感有交互性,当我们头动一下,即可看到不同的角度的场景。至于想象力方面,应该说这个虚拟的世界是我们构想出来的。它可以是现实世界的复制,比如开会,戴上头盔之后,我们可能置身于旧金山一个会议室;也可以是想象出来的卡通世界,是你儿时从书本中看过的一个童话世界,现实中它根本不存在。
  虚拟现实系统主要包括如下几个方面:首先是内容,它的核心是一个实时计算机图形和仿真器,然后是用户界面:一个输入,一个输出,这是非常简单的关系,输入主要是对应用户的头、眼睛、手以及整个身体动作的追踪,当把这些身体的信息代入到虚拟现实世界里,身体如何动,系统一旦感知到,就会给予一个相应的反馈。
  ►以Oculus为例,虚拟现实系统的各个组成部分
  来源:www.chinaar.com
  事实上,虚拟现实是多学科结合的领域。从学科角度来说,其核心是计算机图形和仿真,此外还有计算机软硬件、图像与视觉、人工智能等技术,由于要用到视觉、触觉、听觉等多感知通道,还会涉及到光、声、电、机械等。虽然Oculus已经设计得还算不错,但戴十几分钟,眼睛仍可能会有点难受,还会头晕。目前,全球顶尖学者都在研究人机工程问题,如何设计得更加舒适,当我们戴上眼镜后,有人会有大脑被三维虚拟环境控制的感觉,这可能会带来心理上的冲击,因此虚拟现实的应用还会涉及到心理学、社会学等问题。
  虚拟的内容最初一般由建模师通过三维电脑软件在屏幕上构建出来,例如,从一个简单的模型开始渐渐构造出复杂的角色模型,在电脑上设计出来之后,再赋予它们动作,最后贴上皮肤的纹理,这样就造出来一个虚拟的角色形象。还有一种虚拟内容,它不靠人工,而是靠一种特殊的相机——全景相机。这个相机有很多镜头,可以把360度的画面全部拍下来,数据也可以在虚拟现实中展现,这是将来一个重要的应用方向。两会期间也有一些记者用到了这样的摄像头,配上虚拟现实的头盔,我们可以从各个角度观看,也可以把数据存下来放给其他的人看。
  当然头盔并不是虚拟现实的唯一形式,还有很多其他形式,例如CAVE是通过投影仪构建的,可模拟四面墙或六面墙,每个墙都用立体投影仪投出来,带上立体眼镜就很有沉浸感,但造价非常高。1999年,我在浙江大学参与安装过这样的一套系统,当时设备耗费约250万人民币。还有环幕投影,造价相对低一点,在博物馆、展览馆可看到,它应该算半沉浸式,因为整个视野没有完全被覆盖,当人转过去以后,感觉又回到现实世界。
  来源中国AR网:
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  ►虚拟现实技术可应用于游戏以及体育等方面
  接下来是输入设备方面。输入设备需要捕捉人的信号,怎么把人的动作信号带到虚拟环境里去?最常用的设备是运动捕获设备,例如这里的演员做一些动作,通过很多摄像头拍下来,再把这个动作放到虚拟的角色上去。输入设备又分两种:一种是光学运动捕获设备,相机加上红外线,人身上有很多发光的点,靠计算机计算能力实时算出动作,但它有一个缺点就是容易被遮挡;另一个是惯性传感设备,用户身上装了很多,手动一下就有一个惯性数据,可以算出角度。还有脸部动作捕获,电影里会经常使用,以前是在脸上加很多点,但现在技术发展了很多,不用在脸上铺点,而是直接用计算机视觉的算法来算,目前已经可做到实时。
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  ►通过数据采集,电脑可快速合成虚拟图像,在虚拟的环境里,我们可以参与不同情境。
  除了脸部模拟以外,还有一种数据手套,当戴上这个特殊的手套后,手活动时每个关节角度,可被手套感知到,如模拟手握杯子,通过一个力反馈设备给手部一个反馈力量,虽然没有杯子,但通过设备施加的外力,我们可以感觉到拿了一个杯子样的东西。目前这一领域仍有很多技术难点没有突破。
  ►当我们带上“数据手套“后,通过手套给予的刺激,我们即可感受到手里紧握的物体,它可能是一个杯子或者是球等
  总结一下,虚拟现实的本质是一种新的计算平台、一种新的通讯平台和交互界面。从计算机发展来看,最早是大型机,一个计算机占据整个房子。彼时人是渺小的,人需要适应计算机,后来个人电脑出现的时候,人类将电脑变得越来越小,等到手机出现的时候,我们可以随时进行计算。虚拟现实应该是下一个新的计算平台,不再是你感觉跟计算机的世界隔着个屏幕,而是以后你感觉计算机构造的世界跟现实世界相互融合,尽管目前还是通过屏幕的方式展现,以后就可能分不清在哪个世界里,这是一个发展趋势,计算机将逐渐适应人的习惯。
  增强现实:一个同样令人惊艳的技术
  有关虚拟现实和增强现实(Augmented Reality,AR)之间的关系,很多人可能并不能准确地区分它们,另外还有一个叫混合现实。混合现实是一个从真实世界到虚拟世界的过渡, 包含了虚拟现实和增强现实。增强现实已有很多代表性的产业发展,如谷歌眼镜,但它不太成功。微软也刚推出了增强现实眼镜产品Hololens,卖得比较贵,大概3000美金,它们有一个共同的特点,就是半透明的,因为我们仍需要看到真实的现实情景,而以Oculus为代表的虚拟现实眼镜前面则是不透光的,别人看不到你的眼睛,你也看不到周围的东西,这是它们之间主要区别所在,但未来增强现实应用面更广。
  ►一个有趣的增强现实情境,通过听、视觉让人身临其境
  例如,当我们对着镜子穿衣服时,可通过增强现实让自己换上一件别的衣服或裙子,或合适的款式,这就是所谓的虚拟试衣。它还可应用于远程会议,当戴上增强现实的眼镜之后,我们可看到虚构的桌子以及从远处传过来的参会者影像,尽管它们置身于不同的空间,但此刻如同在同一个环境下讨论问题。最近,微软推出一个视频,通过增强现实眼镜,即使你的孩子不在身边,在增强现实的情景里,他(她)可被置身于同一个房间,让你感觉到小孩就在跟前。不过这方面现在做不到这么好,有一些概念性的成分,还有很多缺陷。增强现实还可用于汽车导航,如果我们看导航信息,需低头看汽车面板,这样可能会分心。利用增强现实技术,导航的信息直接显示在挡风玻璃上,这样就可以看到路面信息。
  虚拟现实的应用:未来前景无限
  虚拟现实除了可用于影视游戏等娱乐应用之外,在其他非娱乐的应用领域也前景广阔。虚拟现实同样也可用于虚拟试衣,这是阿里巴巴的“Buy+”计划,今年3月刚推出概念,戴上虚拟现实的眼镜之后,人们可通过虚拟模特身上的衣服来进行选择和购买。很多汽车公司也开始利用虚拟现实眼镜进行模拟驾驶,让用户体验开车时的感受,但不能真的开到路上。此外,还可做虚拟旅游,戴上眼镜后,可体验以前从未去过的地方,身临其境。此外,还可以虚拟看房或设计房子,我们可事先让设计师设计一个虚拟图景,通过体验,我们还可以纠正需要改造的地方。
  日常生活体验可对我们的大脑有影响,同样虚拟的体验也能影响大脑,因此虚拟现实还可用于心理治疗,很多有抑郁症的人,通过虚拟现实技术辅助治疗可以得到一些改善。对于社交恐惧症患者来说,他们平时不敢对很多人说话,在虚拟的世界,你知道这是假的,心理会放松防线,更容易跟其他人交流,从而逐渐提高社交能力。再比如,有很多人害怕蜘蛛,通过虚拟现实模拟,蜘蛛“近”在眼前,尽管你很难抗拒潜意识中的害怕,但是可以通过这种方式逐渐“脱敏”。恐高症同样可通过虚拟现实得到缓解。
  心理学家还用虚拟现实来进行其他治疗,例如烧伤患者非常痛苦,尤其是给他换药的时候,如果有医生把虚拟现实技术用到他们身上,让他戴上一个头盔,看到一个冰凉的世界,大脑相应做出反应,疼痛感会减弱。在美国911恐怖袭击之后,很多人心理创伤很大,通过虚拟现实技术,把患者带回到当时的环境,这也是一个类似于“脱敏”的治疗,从而使患者心理上得到疏解,目前证明可以起到比较明显的效果。此外还有对自闭症患者的治疗,他们不愿跟人交流,难以亲近,通过虚拟现实技术,让他们在虚拟的世界里玩游戏,并逐渐接受自己在其中的角色,然后锻炼跟人交往的技巧。研究发现治疗前后患者大脑的活跃度有明显改善,这说明虚拟现实起到了良好的作用。
  在医疗方面,虚拟现实还可用来训练医生。当前医生培训代价比较高,既缺少设备,同时人又非常多,我们可以通过虚拟现实设备,帮助医生练习手术。例如,在虚拟的世界里,连接力反馈的设备可模仿一个手术刀,当手术刀碰到虚拟器官之后,会有一个力反馈,也会模拟器官的形变,通过这种方式医生可以得到手术技能的锻炼。
  对于学习和教育来说,虚拟现实也是非常有帮助的。通常来说,小孩对形象直观的东西容易接受,通过虚拟现实技术,把一些比较抽象的东西,以直观方式表现出来,这样可提高他们的记忆能力和学习动机,通过这种方式他们既愿意学习,又觉得很好玩,此外也可以增强小孩子间的合作。
  总的来说,虚拟现实已经诞生50多年,由于以前成本太高,它最近才刚刚走近大众。虚拟现实、增强现实它们之间相关,又各有特点,但核心都是以实时计算机图形为主,应用也在不断拓广。通过与互联网、机器人、人工智能以及大数据进一步结合,虚拟现实的未来应用会更广泛。