1.2 虚拟现实发展简史

1.2.1 早期发展

纵观人类的历史，在不同的时间阶段，人们都在尝试用当时最先进的技术创造沉浸式的体验场景。从远古时期的洞穴岩画到文艺复兴时期的穹顶艺术，到电影技术蓬勃发展时期的球幕影院，再到时下最热门的虚拟现实技术，随着人类社会科技水平的发展，我们创造出越来越接近真实的虚拟世界。由于很多技术手段并非是使用计算机数字技术的，所以我们将这些统称为“人造现实”，而“虚拟现实”正是在计算机数字图形图像技术兴起后的产物。

从前面所举的例子可以看出，在各个历史阶段人们主要将技术运用在传达视觉元素上。的确，科学研究表明，一个感官健全的人日常获取的信息中有70%～80%是通过视觉。也就是说，如果想对人们感情、情绪或者深层次的心理产生影响，首先需要给他们造成视觉上的信息冲击。所以不论是教堂穹顶画这样的“人造现实”还是“虚拟现实”，都会先在视觉信息载体上进行突破。俗话说“好钢用在刀刃上”，开发者们也深谙此道，将有限的时间和资金首先运用在视觉呈现技术上，这也就解释了为什么目前市场上虚拟现实眼镜产品繁多，但是有触觉反馈的控制器、虚拟现实中的立体声和嗅觉味觉模拟这些为其他感官进行信息传达的技术发展要滞后一些。

虚拟现实眼镜最初的造型可以追溯到1800年。当时人们已经掌握立体影像的技术，立体电影机的造型已经有了现在虚拟现实眼镜的雏形。而真正可以隔绝环境干扰，并且能够产生全景式幻觉的小型设备——立体黑白镜，诞生于1838年。图1.1所示是1870年生产的一款立体镜，它利用了人的立体知觉的生理特征，将两个镜片做成和眼睛同等宽度。如图1.2所示，双眼的视差能够使两个距离较小的图像合二为一，在经过大脑的处理形成立体视觉。因为人类进化缓慢，几百年之内身体结构不可能发生本质变化，形成立体图像的原理也不可能变化，所以200多年过去了，不论技术怎样发展迭代，立体影像设备的基本结构是不变的。

“虚拟现实”这一概念诞生于1938年，法国戏剧理论家阿尔托在自己的论文《炼丹术戏剧》（The Alchemical Theater）中就提出了“虚拟现实”（法语La Realite Virtuell）的概念。

“虚拟现实”的概念提出以后，马上成为科幻小说家们热衷的题材。例如，赫克斯利（Aldous Huxley）所著的小说《勇敢的新世界》（Brave New World, 1932）就描绘了一种名为“多感觉”（Feelis）的三维电影。美国作家布拉德伯里在短篇小说《大草原》（The Veldt,1950）中描绘了能模拟非洲大草原的全息墙面，也就是将房间的四壁都变成可以显示想象中场景的显示设备。

1.2.2 第一次浪潮

虽然在20世纪30年代“虚拟现实”这个概念就诞生了，但却是仅仅停留在文学作品中，当时连计算机还没有诞生，所以数字化的虚拟现实体验无从谈起，但是先驱者们并未停下开拓的步伐。1956年，计算机尚处在诞生初期，美国电影放映机制造商莫顿·海利希（Morton Heilig）构想了体验剧院（Sensorama）（图1.3），他试图将视觉场景、听觉刺激、震动与气味组合成新型的仿真设备。1960年，海利希申请了一个仿真面具（Simulation Mask）专利，专利名称是“为个人设计的立体电视设备”，该设备由立体眼镜和两个微型电视屏幕组成，能够呈现三维图像（图1.4）。这一面具结合了三维照相技术、具有焦点控制的广域视野光学技术、立体声和气味加工技术，并且增强了防震效果。两年以后，他造出了面具的原型机，并开发了5个涉及视、听、嗅、触觉的短片，但是未能取得商业上的成功。现在看来，在当时的技术条件下，连最基本的视觉上的体验都很难满足，更不用说其他感觉的模拟了。虽然创新值得肯定和尊重，确实也称得上是虚拟现实发展史上里程碑式的设备，但是用户体验上的不足成为阻碍这个设备成功的最主要因素。

1968年，在哈佛大学任助理教授的伊万·苏瑟兰（Ivan Sutherland）在其学生斯普劳尔（Bob Sproull）的帮助下造出第一个头盔式虚拟现实显示器系统。因为这种头盔的重量超过人类头颈所能承受的程度，所以开发者们只好将它从天花板上吊下来，趣味地称之为“达摩克利斯之剑”（The Sword of Damocles）（图1.5）。而且，它能展示的“虚拟现实”内容不过是简单的线框模型构成的房间。尽管如此，人们却从中看到了新技术的美好前景。

接下来，苏瑟兰利用这套虚拟现实设备开始进行这方面用户体验的试验，并且得到了令人振奋的成果。首先，在虚拟现实设备中仅仅用照片就可以让人们置身在一个陌生的环境中，并且带来心理上的沉浸感。在他的一个试验中，测试者的头盔显示器内显示从摩天大楼顶上拍摄的地面街道的影像时，虽然测试者实际所处的环境很安全，但他们还是会感到惊慌失措，这充分证明了这种技术给用户心理造成了影响。接着，苏瑟兰用电脑图像取代了拍摄的电影图像，电脑图像由计算机系统实时生成，并且每秒更新多次，再加入追踪头部运动的传感器，使得计算机系统可以随着体验者头部的移动提供不同的透视图像，这样一来，有交互体验的虚拟现实便出现了。

在20世纪70年代之前，先驱者们已经运用自己超凡的想象力和强大的技术能力（当你真正了解那个时代计算机硬件的性能后，你就会佩服他们的技术水平了）尝试实现梦想中的“虚拟现实”，但由于当时计算机性能确实很低，虚拟现实设备给大家带来的用户体验不足以让其在市场上普及。这一次浪潮虽然悄无声息地过去了，但是却给后来的开发者积累了大量的经验，而且种种尝试结果都表明，从心理感受层面上讲，用户对沉浸于另外一个完全不同于现实的场景是没有抵抗力的，这也是从业者坚定地认为虚拟现实是用户界面的终极形态的依据之一。

1.2.3 第二次浪潮

虚拟现实这个概念在沉寂了10多年之后，再一次被文学潮流唤醒。1984年，威廉·吉布森出版了乌托邦式梦想的讽刺性小说《神经漫游者》（Neuromancer），作为赛博朋克（Cyberpunk）文化的代表作之一，本书据称也是著名系列电影《黑客帝国》（Matrix）的灵感来源。这部小说带动了在计算机空间和网络空间里进行虚拟体验想法的流行。吉布森对赛博空间（Cyber Space）的理解是一系列网络化的计算机图像空间，进而组成一个矩阵，像“集体幻觉”一样每天都会吸引数以亿计的访问者。进入20世纪80年代后期，围绕“虚拟现实”这个新的名词，迅速形成了一个文化圈，并且令吉布森感到惊讶的是，科学家和技术人员对其著作的关注以及人们在讨论他的科幻作品时都抱着很严肃的态度。

伴随着这次潮流，以杰伦·拉尼尔（Jaron Lanier）的虚拟编程语言研究公司（VPL Research,1985）为代表的一批研究虚拟现实技术的企业问世，虚拟现实眼镜、数据手套等关键设备被发明，虚拟现实技术开始步入实用期，不仅为医疗、军事、教育等领域增添了新手段，而且为艺术创造提供了新可能。

1989年，被誉为“虚拟现实之父”的杰伦·拉尼尔正式创造了英文“Virtual Reality”这一术语，并且率先开发出能够真正操纵计算机模拟的三维空间内虚拟物体的数据手套，虽然从今天的角度看起来这些设备有些笨重，而且通过很多条线缆与电脑连接，但是用户已经可以通过头盔显示器观察自己的行为在虚拟现实中的真实反馈，在实现虚拟现实中的人机交互方式上迈出了革命性的一步。图1.6中展示了拉尼尔公司研发的虚拟现实数据服装。

被誉为“人工现实之父”的迈扬·克鲁格（Myron Krueger）建立了“人工现实”（Artifi cial Reality）系统。该系统将参与者的半身像显示在投影屏幕上，由计算机不断分析参与者的动作并实时地作出反应（图1.7）。克鲁格认为拉尼尔创造的“虚拟现实”一词包含了悖论而不愿意加以使用，宁可使用“人工现实”一词。

“人工现实从身体与仿真世界的关系感知人的行动，然后它生成视域、音响，以及令参与这一世界的幻象变得可信的其他感觉。”——迈扬·克鲁格

杰弗里·肖（Jeffery Shaw）的《可读之城》（The Legible City）（图1.8）让观众骑上一辆底座固定的自行车，通过有传感器的踏板驱动三维实时绘图系统，从而让观众获得游览曼哈顿的效果。可以说这是现在随处可见的VR自行车的鼻祖，运用相对简单的交互技术原理，把观众的日常行为与虚拟世界链接在一起。在完全能够模拟人体动态、手势等自然行为的技术成熟前，用我们日常的机械操作行为（骑车、开车、划艇等）作为人机交互界面（Human-Computer Interface）不会给体验者带来过多的操作不自然感，不失为当前技术阶段的一种好的解决方案。

1991年，媒体艺术家桑丁、工程师德凡蒂等开发了名为“洞穴”（Cave Automatic Virtual Environment, CAVE）的虚拟仿真环境（图1.9）。这种虚拟环境通常会将计算机生成的交互图像投射到一个方形的围合空间，体验者在空间一定范围内的移动会与墙面上投射的图像形成互动关系，而无需应用头盔显示、数据手套，同时也能提供足够的沉浸感。

在这次浪潮中，有一些公司已经开始专注于能够面对普通消费者的虚拟现实设备。1991年，Virtuality公司发布了他们的虚拟现实游戏系统1000CS（图1.10）。这是一个沉浸式头盔显示平台，配有可以进行三维空间追踪的操纵杆。从外观和系统构成上看，该系统已经很接近现在市场上能看到的虚拟现实设备，但是当时高达60000美元的价格却让消费者望而却步，最终只生产350套便停产了。

日本著名游戏机公司任天堂（Nintendo）也在这次潮流中做了尝试。1995年推出了虚拟现实游戏机The Virtual Boy（简称VB），由Game Boy之父横井军平主导开发。任天堂希望借助该公司当时明星主机Game Boy热卖和超级马里奥这样的热门游戏之势打开一个全新的市场。不过由于VB这个游戏主机理念太超前，虽然能够呈现奇特的立体视觉，但是受当时的技术能力所限，只能在眼镜里面显示红色的点线图（图1.11），这和当时市场上已经普遍运用CD-ROM呈现精美CG动画的其他主机相比（索尼的PlayStation、3DO等32位游戏主机），自然无法吸引消费者的眼球。再加上售价也不低，仅仅一年时间就黯然退出市场。

但是据1996年有幸体验过VB的玩家描述，当时所带来的冲击是非常大的，著名射击游戏《太空巡航机》里面的世界变得触手可及，玩家操纵的战斗机飞翔在无垠的宇宙中，虽然由简单点线组成的画面不够逼真，但是却给人置身宇宙空间的沉浸感。

虽然VB这个产品失败了，但是20多年后的今天，我们看到在强大的技术条件支持下虚拟现实游戏发展的新高度，还是要向当年主导开发VB的横井军平的勇气和前瞻致敬。

在接下来的一段时间里，沉浸式虚拟现实的民用化进程发展到了瓶颈，价格居高不下，用户体验水平却不高，这就导致虚拟现实技术只能在实验室和某些特定领域（如军事、工业）里有用武之地。但是开发者们并没有停止自己的脚步，直到2012年，虚拟现实的第三次浪潮到来，给虚拟现实发展带来了全新的开端。