第1章 虚拟现实：交互方式新革命

什么是虚拟现实

1.1 虚拟现实能以假乱真

如果要用一句简单的话来说明什么是虚拟现实，那就是能把假的变成真的，能让你在意识清醒的情况下更加真切地感受一个梦。生活中总会有一些场景，是你想象过、见到过与听到过，但是却从没经历过的。所以，以前从最初的做白日梦、冥想，到读小说、看电影和玩游戏，无非都是在想方设法体验不同的梦境。为了不断增强这种梦境的真实感，发展出各种有声图书、3D电影以及网络游戏，然而技术只是从视觉、听觉着手，始终有一种无法跨越的距离感。为进一步缩小这种距离，虚拟现实逐渐普及开来。

虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义或功能意义上存在的任何事物或环境，它可以是可实现的，也可以是难以实现或根本无法实现的；“虚拟”是借助计算机生成的模拟系统。因此，用户可以通过使用特殊装置将自己“投射”到这个环境之中，操作与控制环境，成为这种环境的主宰。从本质来说，虚拟现实是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户操作。

虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的集合，需要模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面共同配合，音响设备、计算机设备、智能手机和虚拟现实设备的共同发展缔造了该技术实现的可能：第一，模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像；第二，理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知，除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还包括听觉、触觉、力觉、运动，甚至还包括嗅觉和味觉等；第三，自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时响应，并分别反馈到用户的五官；第四，传感设备是指三维交互设备。如图1所示。

1.2 虚拟现实时代的三足鼎立

在现阶段的虚拟现实技术中，可投放至消费者市场的是虚拟现实、增强现实和混合现实；其中又以虚拟现实的技术发展最为成熟。然而，这3个技术对于大多消费者而言既熟悉又陌生。相信这些信息对大多人来说都不陌生，但三者究竟如何区分却又令人迷惑。简单来说，虚拟现实是纯虚拟数字画面，增强现实虚拟数字画面加上裸眼现实，混合现实是数字化现实加上虚拟数字画面。

虚拟现实（Virtual Reality），简称VR，也被译为虚拟实境，指利用计算机技术模拟产生一个为用户提供视觉、听觉、触觉等感官模拟的三度空间虚拟世界，用户借助特殊的输入/输出设备，与虚拟世界进行自然的交互。用户进行位置移动时，计算机可以通过运算，将精确的三维世界视频传回产生临场感，令用户及时、无限制地观察该空间内的事物，如身历其境一般。这种虚拟现实技术集成了计算机图形、计算机仿真、人工智能、感应、显示及网络并行处理等技术的最新发展成果，是高技术的模拟系统。

增强现实（Augmented Reality），简称AR，是一种实时计算摄影机影像位置及角度，并辅以相应图像的技术。这种技术可以通过全息投影，在镜片的显示屏幕中将虚拟世界与现实世界叠加，操作者可以通过设备互动。

尽管涉及虚拟成像，但虚拟现实和增强现实在技术实现方面还是存在着本质上的区别：虚拟现实的视觉呈现方式是阻断人眼与现实世界的连接，通过设备实时渲染的画面，营造一个全新的世界；增强现实的视觉呈现方式是在人眼与现实世界连接的情况下，叠加全息影像，加强其视觉呈现的方式。区分虚拟现实和增强现实的一个简单的方法：头戴设备是否透明。虚拟现实需要用一个不透明的头戴设备完成虚拟世界里的沉浸体验，而增强现实需要清晰的头戴设备看清真实世界和重叠在上面的信息和图像。例如，计算机把我的感知带到一个陌生虚拟的环境中，这就是虚拟现实。增强现实是把数字的信息叠加到生活当中，就像在这贴了一个号码，这号码代表它在数据库里的序号，通过这个号码，能够看到其在数据库中所显示的信息。

从目前的观察来看，增强现实比较适合服务企业级用户，而虚拟现实则适用于消费者和企业用户。因此，会出现两者重叠的市场，例如，游戏产业。由于增强现实技术仍处于研发初期，相较虚拟现实滞后2～3年，因此目前的游戏研发主要基于虚拟现实技术，但微软也用HoloLens重新创作了《我的世界》这样增强现实的游戏。虚拟现实和增强现实均需通过头部和手势操控完成体验，这两项技术必将推动HMD设备成为新的计算平台，进而为计算生态系统带来新的变化。但目前消费者市场和企业市场都暂未能HMD设备变为台式机、笔记本、平板电脑和智能手机之外的必要设备。

混合现实技术（Mixed Reality），简称MR，指的是结合真实和虚拟世界创造了新的环境和可视化的三维世界，物理实体和数字对象共存并实时相互作用，以用来模拟真实物体，是虚拟现实技术的进一步发展。该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，增强用户体验的真实感。混合现实的“实现”需要在一个能与现实世界各事物交互的环境中进行，其关键点是与现实世界进行交互和信息的及时获取。目前全球从事混合现实领域的企业和团队比较少，并且处于初期的研究阶段。

从概念上来说，增强现实与混合现实更为接近，都是一半现实一半虚拟影像，但传统增强现实技术运用棱镜光学原理折射现实影像，视角不如虚拟现实视角大，清晰度也会受到影响。混合现实技术结合了虚拟现实与增强现实的优势，能够更好地将增强现实技术体现出来；同时，虚拟现实的大视角结合到增强现实设备中，可以弥补增强现实视角不足的情况。而增强现实和混合现实的区别在于，增强现实通过一个摄像头让你看到裸眼都看不到的现实，虚拟现实只是叠加虚拟环境而不管现实本身。简单来说，增强现实技术通过不同程度曝光摄像，还原人眼在特定环境下看不到的情景。比如,在车灯直接照射的情况下，人眼往往很难看清车牌号码或者对面的路况，但是通过增强现实技术拍摄不同曝光程度的照片并将它们合成，这种情况就迎刃而解了。根据混合现实提出者Steve Mann的推断，智能硬件最后会逐步走向混合现实技术。

1.3 虚拟现实如何瞒天过海

虚拟现实之所以令人期待，因为其能建构另一种沉浸感极强的虚拟场景，这些场景未必不存在或不能实现，只是并非是身边唾手可得、司空见惯的场景。想要让使用者身临其境，就需要令虚拟场景骗过使用者的感知，提供极强的沉浸感、交互性以及想象性。

沉浸感：这是虚拟现实系统最基本的特征，指让人沉浸到虚拟的空间之中，脱离现有的真实环境，获得与真实世界相同或相似的感知。为了实现尽可能好的沉浸感，虚拟现实系统必须具备人体的感官特性，包括视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等。由于人类获取的信息70%～80%来自视觉，所以视觉是虚拟现实最重要的感知接口，因此画面感是虚拟现实首先要突破的、完善的方面。

交互性：这是通过硬件和软件设备进行人机交互，包括用户对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度。在虚拟现实应用中，用户将从过去只能通过键盘、鼠标与计算环境中的单维数字信息交互，升级为用多种传感器（眼球识别、语音、手势乃至脑电波）与多维信息的环境交互，逐渐与真实世界中的交互趋同。只有令使用者与这个虚拟场景建立更多联系，才能更好地引导使用者进入这个虚拟世界，进一步增强使用者的沉浸感。

想象性：这是指用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未来进展进行想象的能力。对适当的应用对象加上虚拟现实的创意和想象力，可以大幅度提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。以Oculus Rift头盔为例，人们戴上它可以脱离现实环境，沉浸在虚拟的游戏场景中，而且可以通过设备进行一些人机交互，这些过程最终会对人的心理产生一些刺激或影响。