1.3 虚拟现实发展现状
1.3.1 第三次浪潮
经历了虚拟现实的前两次浪潮，虽然距离民用化还遥遥无期，但是无数探索者的努力已经为沉浸式虚拟现实的设计形态和技术路线打下了坚实的理论基础和实践基础，进入21世纪后，芯片技术（尤其是图形芯片GPU）和显示技术飞速发展，虚拟现实真正进入民用市场已经指日可待。
真正引爆第三次虚拟现实浪潮的是一款叫作Oculus Rift的虚拟现实眼镜。2012年，Oculus Rift在美国著名众筹网站上启动了众筹，原本25万美元的众筹目标最终以240余万美元创造了一个众筹神话。原本笨重昂贵的虚拟现实设备从此能够以亲民的价格进入消费者级别的市场。
Oculus Rift众筹模式成功地打开了一个闸门，国内外公司趋之若鹜，都开始纷纷效仿，推出自己品牌的虚拟现实眼镜（图1.12）。
图1.12 虚拟现实眼镜产品图（图片来自VR Headset India官网）
同年，谷歌公司推出了自己名为Card board的简易VR眼镜，相比Oculus Rift的数百美元，售价仅仅几美元的Card board传播得更加快速而广泛，用户用自己的手机下载特定的App后，横向插入Card board就能获得沉浸式的虚拟现实体验，虽然大多是由全景相机拍摄的全景视频，但却足以用最低成本的方式让大范围的用户获得最简单直接的沉浸式体验。
2014年，社交网络巨头Facebook公司宣布以20亿美元的价格收购Oculus公司，这在业界引起了轰动，继而一些国际大公司纷纷宣布推出自己的虚拟现实眼镜，资本圈的目光也被吸引过来，一时间群雄并起。2016年，除了Oculus公司推出了自己的第一款消费者级的虚拟现实眼镜Oculus Rift CV1外，HTC和索尼公司也分别推出了自己的消费者级虚拟现实眼镜。再加上舆论和资本的聚焦，2016年被冠以“虚拟现实元年”的称号。
1.3.2 元年三巨头
Oculus、HTC和索尼公司均在2016年推出自己的面对普通消费者的虚拟现实眼镜，成为第一批推出民用VR产品的公司。下面我们来大致了解3家公司的产品。
1．Oculus CV1
Oculus在众筹成功后推出了其开发者版本的虚拟现实头盔Oculus Rift DK1。2014年3月26日，Facebook公司宣布以约20亿美元收购Oculus公司。2016年3月28日，消费者级产品Oculus Rift CV1正式发售（图1.13）。VR头盔包含两个1080像素×1200像素的OLED屏幕，综合分辨率为2160像素×1080像素，可以实现90Hz刷新率、110°视野，支持360°头部追踪及一颗体感摄像头检测动作。控制方面有环形的双手体感手柄并支持XBOX手柄。目前售价为399美元。2017年又推出了专属的控制器和定位设备。详细信息可查阅官方网站。
图1.13 Oculus Rift CV1（图片来自Oculus官方网站）
2．HTC VIVE
2015年3月2日，HTC公司发布消息称与VALVE公司（游戏《半条命》和游戏平台Steam的出品公司）合作推出了一款VR头盔，名为HTC VIVE, 2015年春季推出开发者版本，2016年4月5日开始全球范围发售其VR头盔的消费者版本。VIVE的配置为两个1080像素×1200像素的OLED屏幕，综合分辨率为2160像素×1080像素，可以实现90Hz刷新率、110°视野。比较特殊的是VIVE头盔表面集成了37个传感器，通过在房间里安装两个定位器，就可以获得更加精准的头部和手柄控制器的空间坐标与动作。目前该款产品的国内售价为人民币5488元。详细信息可参见官方网站。
2018年初，HTC公司在拉斯维加斯举办的一年一度的消费电子展（CES）上，首次公布了自己公司的次时代VR头盔VIVE Pro（图1.14），为VR头盔新一轮的大战拉开了序幕。
图1.14 HTC VIVE Pro（图片来自HTC VIVE官方网站）
3．索尼PlayStation VR
PS VR头盔（图1.15）于2016年10月份开始发售。头盔使用两个960×1080像素的OLED屏幕，综合分辨率为1080像素×1200像素，可以实现120Hz刷新率、100°视野。头盔加定位套装在国内售价为人民币3399元。单从屏幕解析度来看，要低于Oculus Rift CV1和HTC VIVE，但是索尼公司的优势在于其平台上的VR游戏都是通过严格审核和优化的，玩家可以获得极佳的用户体验。依靠庞大的PS主机玩家群体以及《生化危机7VR版》这类游戏大作，PlayStation VR发售半年之后大有赶超两个老大哥的趋势。详细信息可参见官方网站。
图1.15 PlayStation VR Headset（图片来自PlayStation官方网站）
4．手机壳VR眼镜
和三巨头的产品相对较高的价格比较起来，谷歌公司的Cardboard可以说就是白菜价，它充分利用了人人都有手机这个情况，只给大家提供一个可以插入手机的壳子，极大地降低了成本。近3年来，很多国内厂商将谷歌公司的Cardboard发扬光大，纷纷推出自己品牌的手机壳子，造型上虽然千差万别，但是核心技术并没有什么太大的差异。这种低技术门槛的产品导致市场上劣质手机壳VR眼镜泛滥，在公众对于虚拟现实设备的正确认知方面起了极大的负面作用。
三星公司的Gear VR（图1.16）和谷歌公司的Daydream（图1.17）虽然也是手机壳加手机的方式，但是均只针对各自公司的几款手机，系统优化和用户体验非常好，可以归为与下面所讲的VR一体机同等的产品。
图1.16 Gear VR（图片来自三星公司官网）
图1.17 Google Daydream（图片来自谷歌官网）
5．VR一体机
前面提到的元年三巨头推出的虚拟现实头盔产品都需要配一台高性能计算机或者游戏主机作为图形处理器，除了虚拟现实眼镜的成本外，用户还需要购买价格不菲的计算机游戏主机，虽然可以获得较好的用户体验，但是整体成本还是偏高，所以VR一体机以其一两千元的亲民的价格受到了消费者的青睐。一体机从技术上说就是将移动芯片、传感器、显示器、电池集成到一个VR头盔内，所运行的系统都是经过各个出品方的优化，比起标准不统一的手机加手机壳来，整体用户体验要好得多。但是相比需要连接电脑或游戏主机的虚拟现实头盔的用户体验，尤其是画面的仿真度和三维场景内的互动性还是有很大差距。不过通过VR一体机，用户可以享受几乎所有的全景视频、全景动画和对于运算要求不高的VR游戏，可以算是性价比非常高的产品。随着处理器性能的提升和主动式定位技术在一体机上的运用，相信陆续会有更加优秀的一体机推出。
2017年，Oculus和HTC公司都纷纷宣布了自己公司的一体机产品，国内如PICO、大朋、IdeaLens等公司也均有同类产品。可以预见，在2018年，一体机市场的竞争将进入到白热化程度。
1.3.3 影响虚拟现实用户体验的核心元素
上一节提到了多家厂商的多种虚拟现实设备，而且“用户体验”是多次被提及的名词，那么好的虚拟现实用户体验都包括哪些方面呢？
首先得从沉浸式虚拟现实的3个特点说起，这3个特点在英文里都是以字母“I”为开头的，分别是“沉浸性”（Immersive）、“交互性”（Interactive）和“信息强度”（Information Intensity）。目前主流说法将第三个“I”叫作“想象力”（Imagination），但笔者更加倾向于使用“信息强度”这个概念。“想象力”体现在创作者营造虚拟现实世界时的创造力，但实际上很多虚拟场景是对现实存在的内容的再加工。为了让虚拟世界能够“说服”体验者，让他们信以为真，虚拟世界中的事物就要承载非常多的信息，这里不单单包含场景和物品的尺寸、材质、重量、温度等，甚至还要包含更多的深层次交互内容。而且这些信息还都需要通过不同的虚拟现实设备让体验者进行感知，所以不论是通过“想象力”创造一个虚拟世界，还是现实场景在加工后的虚拟化，信息的丰富程度都是让体验者真正投入的重要因素。目前虚拟现实技术在满足传递场景和物品的尺寸、材质等方面都没有问题，但在传递重量、温度等非视觉因素方面的信息难度很大，这也是虚拟现实开发者们努力的方向。
从人的感觉方面看，好的虚拟现实体验应该是对于人的感觉器官都有信息的传递，就像我们生活的真实世界中，人的视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉随时都在获取来自于真实世界的信息，而在目前的虚拟现实发展中，除了味觉的模拟难度较大，其他几种感觉的虚拟仿真化都取得了一定的成果。
1．视觉的沉浸性
最先能给体验者带来沉浸性的元素就是视觉元素，前面我们提到过，人们在日常获取的信息中有70%～80%是通过视觉。人类双目的生理构造，也决定了人们对于周围事物和空间的远近立体感判断是通过视觉完成的，当然这里同时包括眼睛（视觉信息获取）和大脑（视觉信息处理）整个系统的工作。从前人对于沉浸视觉的探索中可以总结出来，主要的方法是运用视觉元素将观众的视野包围起来，无论观众怎样变换自己的视线，获取的视觉信息都是创作者刻意营造的“人造现实”。所以在目前的沉浸式虚拟现实体验中，都是给体验者戴上一副又大又沉的虚拟现实眼镜，既提供了视觉信息，又将周围环境屏蔽，让体验者仅能看到眼镜中的画面。同时运用了动态捕捉的传感器，当体验者头部运动的时候，传感器将运动数据传递到电脑，电脑根据体验者头部和视线的变化重新渲染视线所及的画面，使体验者产生置身于另一场景的沉浸式体验。
视觉沉浸方面，比较重要的技术指标是刷新率、纱窗效应和余晖。如果VR眼镜中的画面有卡顿，像素颗粒很大，而且在转头的时候画面出现严重的拖尾，除了用户体验不好之外，给用户带来的最大问题就是会产生眩晕效果。解决刷新率的办法是提升CPU、显卡等硬件运算性能，优化VR软件，以便让VR软件运行的时候能够达到比较高的每秒传输帧数（Frame Per Second, FPS）。纱窗效应通俗就是VR眼镜中画面像素颗粒很大，这也和目前的显示屏幕的解析度有关系，如果屏幕解析度提高，还要保证画面的刷新率，对于实时渲染的性能要求就相应提高，需要更加强大的硬件，成本势必提高。目前Oculus CV1和HTC VIVE用的都是AMOLED显示屏幕，具备轻薄和低余晖特点。所以就目前的技术发展水平而言，势必要寻找一个成本和效果的最平衡点，以便达到相对好的用户体验。
2．听觉的沉浸性
听觉虽然不占最主要的因素，但是声音的方向同样会给观众带来极佳的沉浸感。这也是目前电影院都配备多声道环绕音响的原因，通过定点的音箱尽量模拟各个方向的声音。读者感兴趣的话可以自行上网搜索“3D环绕立体声理发馆”，找到相应音频，戴上双声道耳机，闭上眼睛，享受仅仅通过声音带来的沉浸体验。由于目前多数虚拟现实头盔配的是双声道耳机，加上虚拟现实引擎中对于仿真立体声技术的缺乏，所以还不能够满足模拟真实的沉浸声音，尤其是声音从体验者头顶或脚下传来的情况。不少公司也在声音模拟领域进行着研究和开发，相信很快就会有更好的算法让我们在VR中真切地感受到来自大自然的种种声音。
3．嗅觉/气味的模拟
2017年年初，一家日本公司研发了一种名为VAQSO VR的小型外部设备（图1.18），可以加装到目前市场主流的VR头盔上。这个设备可以装载5个不同气味的盒子，放在VR头盔下方，正对体验者的鼻子，当体验者所体验的场景需要特殊的气味时，设备会将气味通过喷雾的形式传递给体验者。该公司计划在未来将可散发的气味拓展到300种以上，届时用户就能在虚拟场景中闻到清晨树林的味道、花草的芳香、战争中的硝烟，甚至洗发水的香味。
图1.18 安装在VR头盔上的VAQSO VR气味模拟装置（图片来自VAQSO VR官网）
4．触觉与力反馈
如图1.19所示，互动性主要指体验者的行为对虚拟场景和虚拟物体起作用，并反馈回体验者以促成体验者下一次行为和循环的过程。
图1.19 互动的循环
在沉浸式虚拟现实中，头部移动画面发生变化已经是必备的要素，声音方位的算法也在向前发展。目前虚拟现实开发者们有一大部分精力投入到虚拟场景中的力反馈和肢体动作中。对于一个旨在“仿真”的虚拟现实场景中，环境和物体对于体验者的反馈越接近真实世界，体验者才会觉得越“逼真”。比如体验者在虚拟场景中拿起一把锤子，除了视觉中看到锤子外，手也要有抓住锤子把的感觉，同样还能够感觉到锤子的重量，而且在用这个虚拟的锤子敲击石头的时候能够感觉到真实的震动。在目前主流的消费者级虚拟现实设备中，虽然都有“手柄”这一互动设备，但是互动基本上是依靠判断手柄的位移和手柄上的按钮完成的，而反馈则是手柄内置电机的震动，距实现接近真实的反馈还有很大的差距。
为了实现这目标，很多公司首先投身到“数据手套”的开发中，试图用手套这种设备完成我们手部动作和反馈的模拟，从而让体验者感受更加真实。图1.20所示即是数据手套的一种，可以实现空间定位、五指弯曲、指尖震动等功能，但是还是与自然行为有所不同，当体验者戴着数据手套在虚拟空间中抓住一个物体时，手指确实能感觉到震动，提示体验者已经抓到一个虚拟物体，但是却无法有机制阻止体验者继续弯曲手指，这时候，在虚拟场景中很可能就会看到代表体验者真实手的虚拟手穿透虚拟物体的外壁，嵌到里面去了。目前还没有设备能够实现这种抓握物体大小的反馈，即各种“数据手套”很难在抓握到虚拟物体时给手指一个反向的力并且限制手指的运动。
图1.20 Manus Machina公司的VR数据手套（图片来自techcrunch官网）
对于模拟物体的重量难度就更大。目前有德国团队制作出占地面积很大的设备，可以模拟物体的重量，但是仅能用于大型工业设备的仿真，很难小型化进入消费者级的市场。
身体其他部位的力反馈则需要更加复杂的穿戴设备来完成，但是穿脱的时间过长又成了降低用户体验的因素，而且在不给体验者造成伤害的前提下，能够模拟的对于身体的力反馈与真实世界相比还是有较大差距的。
5．手势识别
一些虚拟现实的开发者认为，手部动作的捕捉不应该借由“数据手套”这类硬件完成，而应该是靠裸手实现。实现方法是在VR头盔外面加装一套深度识别摄像头，代表产品有Leap Motion（图1.21）。这类摄像头可以准确地识别每一个手指关节，从而可以定义多种手势和手部动作。这种技术的优势在于不需要在手上佩戴额外的设备，而且识别精度大大高于数据手套。但这种技术的缺点同样明显，就是裸手在虚拟世界中交互，完全没有力反馈。所以对于摄像头手势识别这项技术一直存在较大的争议。
图1.21 安装在Oculus Rift VR头盔上的Leap Motion（图片来自vrheads官网）
6．肢体动作与虚拟化身
人在现实生活中可不单单只是头部和手部的动作，大到躯干四肢，小到10根手指，周身上下又有许多个关节都可以活动。几款主流的虚拟现实设备因为要进入普通消费者的市场，为了控制成本，仅保留了头部和手部的定位。全身定位的数字技术则早已进入实用阶段，应用最广泛的就是制作影视CG时的动态捕捉系统，演员身着特殊的服装，身上布满定位点，捕捉系统可以相对精准地捕捉演员的肢体动作，但是将这套设备应用于虚拟现实体验成本过高。
在2018年4月的GDC 2018全球开发者大会上，Epic Games携手3Lateral、Cubic Motion、腾讯和Vicon展示了次世代的实时捕捉数字人物。开发团队根据一名中国演员的形象制作了高保真实时数字角色“Siren”，而英国女演员Alexa在活动期间通过动作和表情捕捉设备实时地驱动Siren进行表演。该项目的亮相十分惊艳，展示可在未来实时控制虚拟化身的可能性，让大家相信未来有可能会拥有自己的虚拟化身（有版权的数字肖像）。打破“恐怖谷”理论，创造真实可信的、具备感情的虚拟角色成为可能（图1.22）。
图1.22 GDC 2018全球开发者大会上的技术产品展示（图片来自UE官网）
还有一种价格不高的肢体动作捕捉设备是微软的Kinect摄像头。这种摄像头通过深度识别技术可以探测位于摄像头前面的人的头、肩膀、腰部、髋关节、手脚、四肢等主要关节，在家庭游戏领域有着较为广泛的应用（图1.23），但是应用于虚拟现实领域则存在着识别区域受限以及体验者侧身对着摄像头识别不准等问题。
图1.23 Kinect捕捉骨骼的效果
为什么在虚拟现实体验中，肢体动作识别如此重要呢？原因还是要让体验者在虚拟世界中感受到“真实”。当我在虚拟世界里面看不到自己的脚，或者一双无法与自己双脚同步移动的虚拟脚，就很难说服我是在一个“仿真”的世界中。
并且在未来越来越成熟的虚拟社交场景中，每个人都会以一个或靓丽或帅气或标新立异的独特形象出现在别人面前的，也就是所谓的“虚拟化身”（Virtual Avatar）。如果肢体动作的捕捉无法实现，那么在这个场景内，大家就都面对一群动作僵硬的“虚拟好友”，自然交流的程度就会大打折扣，甚至有可能因为动作捕捉不到位使肢体动作变形，产生有歧义的动作语言而导致“友尽”，如此结果还不如回归到传统社交软件的文字、表情和语音呢。
7．面部表情
人类面部拥有42块表情肌，从而能够丰富地表达喜怒哀乐等表情。与动态捕捉一样，在影视特效领域已经成熟地运用表情捕捉摄像头采集演员的表情，这样能够让CG人物的表情更加接近真人。众所周知的詹姆斯·卡梅隆的《阿凡达》，其英文片名“Avatar”实际就是“虚拟化身”的意思，该电影就运用了面部捕捉的技术（图1.24）。
图1.24 电影《阿凡达》在拍摄过程中的面部表情捕捉
但是在虚拟现实体验中，由于体验者需要戴上几乎遮住半副面孔的VR头盔，即使脸上贴上标识点，摄像头也无法识别体验者的真实表情。虚拟现实行业内的公司推出了两类表情捕捉的解决方案。
一类是运用两个摄像头，一个藏在头盔内拍摄体验者眼睛与眉毛的运动，另一个摄像头放在头盔外面捕捉嘴巴和下巴的运动，从而获得整个面部的表情变化。
另一类是将传感器嵌入VR头盔与人脸接触的一圈海绵垫内（图1.25中的黄色部分即传感器），通过对面部肌肉运动的探测获取上半部分面部的表情，同样用另外一个摄像头捕捉嘴巴、脸颊和下巴的运动（图1.26）。
图1.25 头盔内的传感器（图片来自知乎网站）
图1.26 拍摄下巴与嘴部动作的摄像头（图片来自知乎网站）
不论是哪类解决方案，想在虚拟现实中实时捕捉体验者表情难度还是很大的，这主要在于捕捉与重建（真人表情映射到虚拟化身）的延迟、追踪传感器的敏感精度、设备数据处理能力以及网络的带宽等。而且面部追踪涉及的学科范围很广，包括电子、机械学、心理感知、机器学习、面部动画、传感器等技术。所以要达到成熟阶段还需要一定的时间。
8．语音识别
语音识别在我们实际的生活中已经开始得到应用，如实时翻译软件、智能手机上的人工智能助理等。语音识别发展的成熟度远比虚拟现实要高，将语音识别引入虚拟现实体验后，体验者则多了一套全新的输入方法。在诸如手势识别、肢体识别还不成熟的情况下，语音识别输入可以说是一种相对自然而准确的交互方式。微软公司已经将语音识别应用于其增强现实眼镜HoloLens上，用户可以用简单的语音如“back”“remove”在虚拟场景下控制各种虚拟元素。相信随着语音识别技术的发展，语音识别技术在虚拟现实中的应用也会越来越丰富。
9．人工智能
随着AlphaGo战胜诸多围棋高手，“深度学习”“神经网络”这些概念随着人工智能热潮进入了人们的视野。虚拟现实作为一种新型的展示终端，后台一定会搭载各种高新技术，人工智能就是其中之一。
人工智能的概念有些大，现阶段在虚拟现实中的应用叫作人文智能技术（Humanistic Intelligence）比较合适。VR中的人工智能不要求真的像仿真人的智能那样能够有意识地思考（如果真是这样的话虚拟现实就比较可怕了），而是发挥各种传感器、可穿戴设备等的优势，使人们能够捕获自己的日常经历、所见所闻，并与他人进行更加有效的交流。这种智能更加注重数据的积累、分析和计算，并且反馈回用户，是用户身心的拓展。
综上所述，目前市场上消费者级的虚拟现实设备仍然处在发展的初期，能达到的用户体验也是很初级的。如果想在上述所有方面都达到比较好的效果，无论从传感器、处理器还是软件算法方面，都需要有阶梯性的发展。尽管困难重重，但是虚拟现实的从业人员都拥有坚定的信念来实现这些目标。
1.3.4 增强现实和混合现实概述
增强现实（Augmented Reality, AR）、混合现实（Mixed Reality, MR）和虚拟现实一样，是现在经常同时被提及的两个概念，大多数人在第一次接触这几个概念的时候或许很难明白具体的差距，图1.27有助于理解这几个概念。
图1.27 VR、AR与MR（图片来自APPLIED ART网站）
在本书的开始就做了说明，本书把虚拟现实作为一个广义的概念，而我们现在日常提及的VR实际上是“沉浸式虚拟现实”（Immersive Virtual Reality）的概念，在图1.27的左侧，体验者的视觉信息完全来源自虚拟图像。而“增强现实”和“混合现实”这两个概念严格来说都属于广义“虚拟现实”概念的一部分，分别叫作“增强型虚拟现实”（Augmented Virtual Reality）和“混合型虚拟现实”（Mixed Virtual Reality），这两类都是将虚拟的、由计算机产生的内容叠加在现实世界上，只不过虚拟内容的数量和类型有别。
虚拟现实是通过不同的技术手段将体验者与现实环境割裂开，通过欺骗体验者的各种感官，使其有完全沉浸于新场景的感觉。而增强现实和混合现实则是在现实世界上增加信息量，可以说是对体验者感官的延伸。所以这几类技术的应用场景是完全不同的，虚拟现实的应用场景应该是相对安全和独立的空间，体验者在对外部环境有极高安全感的情况下沉浸在虚拟现实提供的场景中，所以适合在非开放式空间内完成。而增强现实和混合现实在日常生活中的应用更加广泛，举个简单的例子，很多人由于外语水平的限制根本不敢出国自由行，未来游客则可以毫无顾虑地佩戴着技术已经成熟的AR眼镜到国外去旅游，因为在AR眼镜中，他们看到的所有外语的标识、文字都已经翻译成中文，替换了原有的外文，跟外国人交流的时候他们的对话也被实时翻译成中文，从AR眼镜的耳机里进行传递。图1.28所示是一个增强现实的应用场景，用户的手机App可以将场所的信息叠加到手机摄像头拍摄的街景上，给用户清晰的导览。所以并非像有些媒体说的AR比VR要高级，其实这两种技术都是广义虚拟现实下面的分支，所运用的技术有部分是一样的，但是未来的应用场景则完全不同。
图1.28 增强现实（AR）的应用场景（图片来自lifewire官网）
比较知名的增强现实眼镜有谷歌眼镜（图1.29）和微软公司的HoloLens（图1.30）。谷歌眼镜于2012年公布，但是由于理念太过超前，且用户体验水平不高，所以一度被谷歌公司搁置，但是2017年又公布消息重启谷歌眼镜计划，且主要面对商业客户解决方案。微软公司的HoloLens虽然价格昂贵，但确是集合了诸多先进技术的产品，这些技术包括3D衍射显示、语音识别输入、基于深度识别摄像头的空间扫描与识别、惯性动态捕捉、手势识别等，正是以这些技术作为基础，保证了HoloLens的整体用户体验极佳。
图1.29 谷歌眼镜（图片来自edgylabs官网）
图1.30 HoloLens及应用（图片来自urban-hub官网）
1.3.5 引擎与软件的发展
引擎就是制作工具，可以让开发者实现自己的想法。目前市场上主流的引擎基本上是各个游戏公司最早为了制作自己的游戏而开发的工具，由于游戏的成功，工具也变得流行开来。
老牌的游戏引擎当数Doom引擎。Doom是ID Software公司在1992年推出的第一人称射击游戏，利用二维画面做出了墙壁厚度、任意路径角度、上下楼梯等三维效果，可以说是第一人称射击游戏史上的里程碑之作。1993年底，Raven公司采用改进后的Doom引擎开发了一款名为《投影者》的游戏，这是游戏史上第一次有一家公司将自己的游戏制作工具授权其他公司使用。在此之前游戏引擎只是各家公司为了开发自己的游戏而制做的工具，并没有任何游戏开发商考虑过用游戏引擎来赚钱，甚至还要对自己的引擎加以严格的保护。Doom引擎的成功，无疑为游戏厂商打开了一片新的市场。
接下来，市场上开始出现成熟的游戏引擎，ID Software公司又率先推出了支持Direct3D和OpenGL的真三维引擎Quake。1998年，本书的主角Epic Game公司的虚幻引擎（Unreal Engine）登场了，打破了ID Software垄断引擎天下的格局。虚幻引擎一经推出就获得了游戏公司的青睐，几年之内有数十款游戏使用了虚幻引擎。虚幻引擎让Epic Game公司从默默无名的小厂商一跃成为行业领军者。
接着在2004年推出的虚幻引擎3可以说是游戏引擎发展史上里程碑式的杰作，《使命召唤》《荣誉勋章》《彩虹六号》《质量效应》《战争机器》等著名游戏使用的都是该引擎。
虚幻引擎3的核心由C++编写，支持的平台包括Windows、Linux、Mac OS X、Dreamcast、Xbox、Xbox 360、PS2、PS3等，其多平台的适用性也帮助它奠定了游戏引擎中老大哥的地位。
Epic Game公司再接再厉，于2014年推出了自己的第四代引擎——虚幻引擎4，可以说这一代引擎完全就是为VR而生。虚幻引擎4推出初期发布的几个基于Oculus DK2的示例带给体验者的冲击力是难以用语言形容的（图1.31）。
图1.31 Showdown游戏中的场景
从2015年开始虚幻引擎4宣布对广大开发者免费，这一策略使引擎的普及度有了非常大的提升，而且虚幻引擎对VR开发的支持非常友好，运用了名为“蓝图”的可视化编程界面，加之渲染、光影、粒子效果出色，在近一两年迅速成为虚拟现实公司的主要开发工具。因为本书就是虚幻引擎4的实战教程，在学习中大家会了解更多关于虚幻引擎4的特点，所以在这里就不多讲述了。
当然，市场上三维引擎也不是虚幻引擎一家独大。其他主流的三维引擎有Unity 3D（几乎所有手机游戏）、Cry Engine（《孤岛危机》）、Frostbite Engine（《审判》）、Creation Engine（《上古卷轴》《辐射4》）、Naughty Dog Game Engine（《神秘海域4》）等。这些引擎各有所长，各自在不同的领域拥有较多使用者和应用案例。各家公司都在探索通过软件提升虚拟现实内容的运算效率、画面质量、实现各种特效的方法。
游戏引擎是生产优秀虚拟现实软件的工具，只有熟练掌握工具才能实现设计者的想法。况且目前很多引擎已经提供了足够多的虚拟现实相关的开发插件，提升了开发效率，开发者们只需要专注于自己的内容创作就可以。也希望读者在学习过程中不要朝三暮四，如果看到哪个引擎在某一方面强就转而学习那个引擎，那么最后只会导致哪个引擎都学不精。在一个优秀作品诞生的过程中，工具固然是重要因素之一，但是更具决定性的因素是创作者的专注态度和坚定信念。
1.3.6 虚拟现实技术应用的领域
虚拟现实的市场化虽然还处在早期，但是已经有很多领域开始重视虚拟现实技术，并对虚拟现实结合本领域的发展有很高的期待。以下列出的都是开始运用虚拟现实技术并有一定成果的领域。
1．军事领域
众所周知，很多尖端技术都会先应用于军事领域，而技术从军用转化为民用则会经历数年甚至数十年时间。所以在20世纪90年代中期，计算机技术较为发达的国家就开始用虚拟现实进行军事训练。通过虚拟现实模拟地形地貌、气候、武器装备、作战人员。从指挥员到参与作战的人员都可以通过虚拟现实场景进行训练。虚拟现实提供的沉浸性和逼真度则可以让参与训练的人员在低消耗、低危险的情况下，熟悉作战地形、武器装备、战术、医疗救助等内容，提高指挥人员的决策力和作战人员的生存率。现阶段虚拟现实设备的成本更低，在军事模拟中的普及度更高，各国主要将虚拟现实技术应用于战地救护、单兵战术、坦克驾驶等方面。
2．文化和旅游领域
各位读者是否梦想过在一个阳光明媚的午后，伴着悠扬的小提琴曲，漫步在被破坏之前的圆明园中，听蒋友仁讲述他的设计理念？或者是回到古埃及，在宏伟的宫殿中一睹埃及艳后的芳容？随着虚拟现实技术的发展，这一切都将成为可能。人类过去的数千年历史给现今留下了丰富的自然、物质和非物质文化遗产。而通过虚拟现实技术，人们有机会将已经逝去的或者出于保护目的而不能面世的文化遗产进行重现，使得大众都能够一睹文化遗产曾经的辉煌，甚至可以体验时空穿越，回到古代，亲身经历一幕幕只能在历史教科书中看到的故事。随着三维扫描技术的日益进步，保留下来的文物模型可以达到极其精准的程度，再通过虚拟现实方式展现在大众眼前，才是真正让文物活起来。如果把景区通过技术手段搬进虚拟现实场景，那么用户就可以足不出户领略祖国的名山大川和世界的著名景点。如图1.32和图1.33所示为虚实空间文化类作品漫步雄关和VR兵马俑。
图1.32 虚实空间文化类作品——漫步雄关
图1.33 虚实空间文化类作品——VR兵马俑
3．工业仿真领域
在工业领域，机械的操作、拆装、维修等方面的训练以及通过互联网进行远程维修，都是很强的需求。而虚拟现实技术则可以用很低的成本满足这些需求。参与培训的人员不需要操作或是昂贵或是有一定危险的真实机械设备，仅需要佩戴特定的数据手套或者其他的力反馈设备，在虚拟场景中就能完成各种操作的学习、训练和考核，而且这些数据还会保留下来供企业进行分析和总结。虚拟现实技术与工业领域的结合可以极大地降低企业成本，提高培训和远程协助的效率。图1.34所示为汽车的VR展示。
图1.34 汽车VR展示
4．教育领域
在本章的开头就描绘了未来的虚拟现实课堂。虚拟现实的沉浸感、拟真程度和丰富的信息量以及可交互性决定了它在教育领域的广阔前景。尤其对于中小学生，他们对科技和新鲜事物的好奇心与接受程度使得他们一旦体验过VR就难以割舍。虚拟现实应用于教育正是利用了这种新技术对于他们的超强吸引力，能够真正地实现寓教于乐。身临其境的场景化教学也会让中小学生对于知识的吸收率提高，起到事半功倍的效果。现在有很多学校开始建设虚拟现实教室、虚拟现实实验室。在未来的硬件基础条件成熟后，教育类的软件就会进入百花齐放的阶段。届时，这种新型的教育方式将对传统教育方式带来很大的冲击。图1.35所示为科普教育项目“VR火山探险”。
图1.35 科普教育项目——VR火山探险
5．游戏娱乐领域
当第三次虚拟现实浪潮到来之初，最早的一批应用就是游戏。由于虚拟现实和三维游戏有着相同的基因，甚至使用相同的游戏引擎，因此游戏从业者沿用自己的游戏开发经验和已经拥有的三维游戏素材快速且低成本地生产出大批的VR游戏。虽然这些游戏中的多数品质不高，但是也不乏精品。虚拟现实的诸多特点将对游戏的体验带入一个全新的世界，游戏者通过VR技术实现了真正进入游戏世界，成为游戏主人公的带入感更加强烈。相信多数玩家都梦想过通过VR真正在“艾泽拉斯大陆”（大型多人在线游戏《魔兽世界》中的大陆）上和朋友组队做任务吧。目前，90%的VR内容和几乎全部的VR线下体验店（包括单体设备和大空间设备）的内容都是游戏。随着《上古卷轴VR版》《辐射4VR版》（图1.36）等传统游戏大作的VR化，相信未来VR游戏的丰富程度和品质会越来越高。
图1.36 发售不到一个月销量达到400万美元的《辐射4VR版》（Fallout 4 VR）（图片来自Steam平台Fallout 4 VR游戏页面）
6．医疗领域
虚拟现实和医疗领域的结合有些类似工业领域，只不过工业领域面对的是机器，而医疗领域面对的是患者和人体。目前，除了利用虚拟现实来进行医疗器械的操作以外，将虚拟现实和手术操作结合才是医疗领域内更加迫切的需求。通过虚拟现实反复进行训练，会令医务工作者在面对真正的患者时有更大的把握。如果将CT扫描数据进行反向三维重建，再导入到虚拟现实中，医务工作者就能够在手术前直观地看到病患部位的情况，从而可以提前制定出最有针对性的方案，提高手术的成功率。图1.37所示为医生在用Oculus Rift VR眼镜观看病人的脑部CT三维图像。
图1.37 医生在用Oculus Rift VR眼镜观看病人的脑部CT三维图像（图片来自uploadvr官网）
7．心理辅导
在对于心理创伤的辅导过程中有一种方法叫作行为介入，即重现创伤者受创的场景，并在恰当的时机进行人工的辅导和暗示，让受创者摆脱心理上的阴影。目前很多国家开始尝试用虚拟现实技术对各种恐惧症、社交障碍、老年孤独群体进行心理上的辅导。由于虚拟现实技术的诸多特点和灵活性，大大降低了成本，效率和效果也有所提升。
8．零售领域
2016年阿里巴巴提出了“Buy+”这个虚拟购物概念，一时间虚拟现实与零售行业的结合成为热门话题。抛开目前所存在的互联网带宽、数十万种商品的三维模型生产、产品信息数据库的建立等技术问题，单从虚拟现实的特点出发，未来一定会对人们的购物模式产生极大的影响。现在的网络购物将我们跟实际商品拉开了距离，但是VR能将产品带回到我们眼前，即通过互联网和虚拟现实能有逛实体店的购物体验。各种产品的尺寸、材质、信息等都会展现在我们眼前，这对交易的促成将起到很大作用。而且用户在虚拟场景中的购物行为，如在虚拟货架中行走的路径、视线在货架上商品停留的时间等，都会作为大数据储存起来并加以分析，当用户积累了足够多的行为数据后，虚拟购物系统就会根据用户的偏好调整虚拟货架内容，以达到最大的成单可能性，而且对于精准广告推送也提供了数据基础。试想一下在不久的将来，我们只要在家中利用一套虚拟现实设备就能够任意选择购物场所，挑选自己喜爱的商品，下单后就是等待无人机快递上门了。如图1.38所示为VR购物体验。
图1.38 VR购物体验（图片来自diorama官网）
9．设计领域
在设计领域，计算机辅助设计（CAD）软件已经非常成熟。而虚拟现实技术则能够让设计师在设计作品前进行更具沉浸性的体验，当一件设计作品，不论是建筑设计、室内装潢设计、景观设计，还是工业产品设计，以其真实尺度呈现在设计师面前的时候，会让设计师以最直观的感受进行判断与调整，让作品更加完美。虚拟现实技术在设计行业的应用是对传统计算机辅助设计的一次升级，让设计师能够提前避免设计上的失误和遗憾，为我们创作出更多更美好的作品。如图1.39所示为VR应用于设计的概念图。
图1.39 VR应用于设计的概念图（图片来自vrsconference官网）
10．社交
Facebook高价收购Oculus，这足以证明扎克伯格对于虚拟现实和社交相结合的美好前景的坚定信心。VR社交解决了用户在传统社交中所面临的视觉享受、互动娱乐性以及用户参与度三大痛点。首先，在提升视觉享受方面，传统的社交媒体呈现的图、文和视频全都能够包含在虚拟现实社交场景内，再加上VR震撼的沉浸感和仿真度，一定会让用户流连忘返。其次，在互动娱乐性方面，虚拟现实做到了极致，比如将直播的互动做到极致，当你在虚拟世界中进行直播时，你的观众并不是在屏幕之外观看，而是和你在同一个环境中进行交互；最后，就是丰富并深入的用户参与程度，在VR社交中，用户能够做到在现实世界中做不到的，而且未来的VR社交的场景会更加丰富，能够给用户提供的体验也更丰富。所以说，VR社交将会是下一代社交方式。如图1.40所示为Facebook VR社交的画面。
图1.40 Facebook VR社交的画面（图片来自kejilie官网）
从上面所描绘的虚拟现实与各行业的结合情况看，由于虚拟现实的沉浸性、高逼真程度、具有互动性等特点，对于很多领域而言，VR在提高效率、节省成本等方面有重要的作用。所以虚拟现实最终的发展会像互联网一样，成为一些领域所必备和应用的技术，况且虚拟现实最广泛的应用也是基于互联网的。互联网发展到今天早已超出单独一个产业的规模而成为信息的基础设施，并且与很多行业紧密结合在一起。虚拟现实作为下一代的显示和体验技术，也将会打破产业的限制，与传统领域进行深度融合，促进产业升级。