虚拟现实的英文名称是Virtual Reality, 简写成VR. 虚拟现实的概念来自于科幻小说, 加拿大科幻小说作者Laurence Manning在1933年出版了一系列的短篇科幻小说, 其中一篇科幻小说《醒来者》(The Man Who Awoke), 提出了虚拟生活(virtual life)的概念. 1962 年, Morton Heiling 设计发明了一台“仿真模拟器”, 该设备是人们从现实世界进入一个虚拟世界的首次尝试[1]. 随着计算机和虚拟现实技术的发展, 虚拟现实越来越类似于现实的世界.
虚拟现实又分为非沉浸式虚拟现实(non-immersive VR)和沉浸式虚拟现实(immersive VR)的技术[2]. 非沉浸式虚拟现实也称为桌面式(窗口式)虚拟现实, 是借助于计算机和其鼠标、键盘、话筒等外围设备, 通过三维制图软件在屏幕生成的窗口式虚拟环境, 或者通过摄影技术获得的实际图像加上计算机处理生成的虚拟环境[3]. 沉浸式虚拟现实是利用图形系统和各种控制接口设备, 在计算机上生成可交互和具有沉浸感觉的现实世界的模拟仿真, 也就是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界, 给使用者在虚拟环境中提供关于视觉、听觉、触觉等感官的现实世界模拟.
沉浸式虚拟现实比非沉浸式虚拟现实更有吸引力, 其沉浸特征要求用户戴上VR头盔(也叫头戴显示设备或头显设备“Head-Mounted Display, HMD”), 几乎与现实世界隔绝, 才能进入洞穴状自动虚拟环境 (the Cave Automatic Virtual Environments, CAVE)[2], 用户在这个虚拟环境中, 感受到三维空间的大小、周围材料的质感和声音的回响, 能以比较自然的方式与虚拟对象(物体)实时交互, 仿佛沉浸在真实的环境中. 沉浸式虚拟现实技术被称为沉浸式多媒体, 也被誉为终极的多媒体[4]. 现在所讲的虚拟现实, 一般是指沉浸式虚拟现实. 近年来, 沉浸式虚拟现实技术在工业仿真、房地产销售、旅游推广、军事训练和教育培训等领域得了广泛的应用.
1 虚拟现实的发展概况
虚拟现实的概念最早是在科幻小说中出现, 随着计算机的发展, 虚拟现实技术获得了很大发展, 实用的虚拟现实设备也生产出来了. 虚拟现实技术发展到现在, 经历了四个发展阶段: 虚拟现实概念的形成, 虚拟现实商业化的推广尝试, 虚拟现实商业化的成功推广, 虚拟现实相关市场的高速增长.
1.1 虚拟现实发展的第一阶段(1933–1990): 虚拟现实概念的形成
1933年, Laurence Manning在一短篇小说首次提出了虚拟生活(virtual life)的概念. 1935年, Stanley G. Weinbaum在出版的短篇故事《皮格马利翁的眼镜》(Pygmalion’s Spectacles) 里, 描述了“基于虚拟现实系统的眼镜”, 该眼镜能够保存记录气味和触摸等虚构生活经验的全部信息[1], 提出了虚拟生活和虚拟环境等的概念. 1946年, 电子管计算机被发明出来, 并获得了越来越广泛的应用; 1956年, 全息照相技术被发明出来, 光照射在物体上, 散射后通过特定装置记录该物体的全部信息, 在重构该物体的图像时, 能显示该物体的立体图像, 就像声带记录人的声波一样[5], 这些技术为虚拟现实的实现提供了基本的条件.
Morton Heiling 是美国的摄影师, 被认为是虚拟现实的先驱, 在1957年设计了“仿真模拟器”, 起名为“Sensorama”, 在1962年申请了专利. 图1是“Sensorama”仿真模拟器的图片, 该设备体型巨大, 采用了3D显示和立体声的技术, 通过三面显示屏为用户展现空间感. 该设备还包含气味发生器和一个配合影片振动的座椅. 用户坐在椅子上, 将头部探进设备内部观看影片时, 能看到立体图像, 可体验到影片出现振动和某些气味情节的感觉. 该设备是人们从现实世界进入一个虚拟世界的首次尝试, 走在了科技的前沿, 惊震了世界[1]. 该设备体积巨大, 造价昂贵, 图像逼真度和沉浸性差, 也没有交流互动的特性, 相应的电影影片又少, 这个轰动一时的尝试失败了.
Ivan E. Sutherland 是图灵奖获得者, 是公认的计算机图形学之父和虚拟现实(VR)之父. 1965年, Sutherland在《终极的显示》(The Ultimate Display)论文中写到“计算机屏幕是一个窗口, 通过这个窗口, 人们可以看到虚拟世界”[1], 首次提出了“人机交互”的虚拟现实思想, 该思想被称为“VR技术史上的里程碑”. Sutherland从1965年开始担任哈佛大学电子工程系的副教授, 并为“终极的显示”的思想变为现实而努力工作, 1968年终于在麻省理工学院的林肯实验室发明了世界上第一台原型头显设备, 起名为“The Sword of Damocles”(达摩克利斯之剑), 如图2所示. 该头显设备设计复杂, 重量很大, 需要机械臂吊住才可使用, 其中包括一个手枪形状的控制棒, 该控制棒能与虚拟环境互动. 该头显设备具备了交互性, 这是历史性的突破. 这个头显设备具有计算机生成模型和图像、立体显示、头部位置追踪以及与虚拟环境互动的功能, 是世界上第一个VR原型设备. 由于当时科学技术的局限性, 该头显设备体积沉重庞大, 操作复杂, 图像逼真度不令人满意, 其沉浸性比较差, 没有展现出应有的价值, 静静地尘封在实验室里.
20世纪70年代, NASA(美国航天航空局)在VR领域开展了研究和尝试, 经过一段时间的研究, 起名为“VIVED VR”的VR头显设备在航天领域中投入使用. “VIVED VR”头显设备与现在的VR头盔非常相似, 主要通过虚拟环境来训练宇航员的临场感, 使得宇航员更好地适应太空作业. 到了20世纪80年代, 计算机技术获得了很大的发展和普及, 越来越多的人投入到VR技术的研究之中. 1984年, Jaron Lanier在美国创办了VPL Research公司, 1989年推出了面向市场的第一台VR头盔—EyePhone头盔和数据手套, 如图3所示, 这是现代意义的沉浸式虚拟现实的VR套件. 用EyePhone VR套件漫游, 体验虚拟环境, 能感觉出沉浸性、构想性和交互性. 沉浸性和构想性让人更加具有吸引力, 但受到当时计算机技术和传感器技术等科学技术的限制, 该VR套件昂贵(大约10万美元), 而且图像的逼真性难于令人满意, 图像的显示与交互的动作滞后, 容易使人疲倦和头晕, 该VR套件销售不佳, 没有普及, VPL Research公司在1990年也破产了. |
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