1.3　虚拟现实的前世今生

虚拟现实并不是近几年才出现的新鲜事物，它从梦想真正落实到产品的历史，几乎可以与电子计算机的历史相比肩。虚拟现实是一项跨学科的综合性技术，因此它的发展必然受到不同学科发展进程的影响。伴随电子计算机技术、人机交互技术与设备、计算机网络与通信等技术的发展，虚拟现实的发展走过了近半个世纪，其间经历了多次发展热潮。

1.3.1　第一次热潮，雏形诞生

人类对虚拟现实的探索是从各种仿真模拟器开始的。1929年，Link E.A.发明了一种飞行模拟器，让乘坐者可以体验飞行的感觉。可以说，这是人类模拟仿真物理现实世界的初次尝试。其后随着控制技术的不断发展，各种仿真模拟器陆续问世。1956年，美国摄影师Heileg M.开发了一个可以模拟人骑摩托车感觉的仿真器Senorama，它具有三维显示及立体声效果，并能产生振动感觉。

1965年，美国科学家、计算机图形学的重要奠基人Ivan Sutherland博士，在其《终极的显示（The Ultimate Display）》论文中首次提出了对虚拟现实发展极有意义的“交互图形显示”等基本概念。他设想在这种显示技术支持下，观察者可以直接沉浸在计算机控制的虚拟环境之中，就如同日常生活在真实世界中一样。同时，观察者还能以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互，如触摸感知和控制虚拟对象等。Sutherland博士的文章从计算机显示和人机交互的角度提出了模拟现实世界的思想，推动了计算机图形图像技术的发展，并启发了头盔显示器、数据手套等新型人机交互设备的研究^[3]。

1968年，Ivan Sutherland博士组织开发了第一款虚拟现实原型设备，并将其命名为达摩克里斯之剑（The Sword of Damocles）。由此，1968年被称为虚拟现实发展的元年。

“达摩克里斯之剑”由6个系统组成：一台TX-2计算机，一个限幅除法器，一个矩阵乘法器，一个矢量生成器，一个头部位置追踪器及一个头盔，采用阴极射线管（CRT）作为显示器。

戴上它可以看到一个边长约5厘米的立方体框线图漂浮在眼前，当转动头部时，立方体也跟着转动，看到的则是这一发光立方体的侧面。人类终于通过这个“人造窗口”看到了一个物理上不存在，却与客观世界十分相似的“虚拟物体”。

“达摩克里斯之剑”作为虚拟现实发展史上的第一个原型设备具有重要的历史意义。它定义了虚拟现实包含的几个核心要素^[4]，引导了后续虚拟现实产品的发展。这些要素分别是：

·立体显示，原型机使用两个1英寸的CRT显示器，分别显示不同视角的图像，从而创造出立体的视觉；

·虚拟画面生成，原型机显示的虚拟立方体，是计算机实时计算渲染出来的；

·头部位置追踪，原型机使用两种方式对头部位置进行跟踪，一是通过机械连杆，二是借助设备上的3个超声波发生器和4个接收器，用超声波检测跟踪头部运动；

·虚拟环境互动，通过双手操作把手，可以与设备进行互动；

·模型生成，原型机显示的虽然只是个简单的立方体，仅有8个顶点，但却是通过空间坐标建立的模型。

1968年，计算机还处于大型机的时代，显卡芯片还未出现，显示器、传感器等设备的发展还处于起步阶段。在这样的产业技术条件下，“达摩克里斯之剑”的缺陷是非常明显的。它体积较大，自身重量非常沉重，根本无法独立穿戴，必须在天花板上搭建支撑杆，如图1-3所示，否则无法正常使用。此外，它能显示的内容也非常简单，仅是一个虚拟的立方体。

因此，“达摩克里斯之剑”仅是一个实验室原型产品，并未走向大众，但它定义了虚拟现实设备包含的核心要素。

1.3.2　第二次热潮，初试商业化

时间进入到20世纪80年代。随着计算机技术及计算网络的发展，虚拟现实技术的发展速度明显加快。这一时期出现了几个典型的虚拟现实系统。

1983年，美国陆军和美国国防高级项目研究计划局（DARPA）共同制定并实施了SIMNET（SIMulation NETworking）计划，开创了分布交互仿真技术的研究和应用。SIMNET的一些成功技术和经验对分布式虚拟现实技术的发展有重要影响。

1984年，美国NASA研究中心的M.McGreevy和J.Humphries开发了虚拟显示器，将火星探测器发回地面的数据输入计算机，构造了三维虚拟火星表面环境。1985年，Scott Fisher领导的研究小组成功研制了一款数据手套，并命名为VIEW。该数据手套轻便柔软，可以测量手指关节、手指以及整个手掌的动作。1986年，进一步研制成功了融合虚拟现实系统VIEW，该系统将数据手套和虚拟现实头盔进行融合。

1987年，Jaron Lanier创建的VPL公司，率先发明了数据服装。在数据服装里布满各种细小传感器，还有与皮肤表层连接的弹性反馈装置。1988年，VPL公司研发出市场上第一款民用VR产品EyePhone，如图1-4所示。1989年，Jaron Lanier正式提出“Virtual Reality”一词，得到业界的广泛采用，成为这一学科的专用名称。

1991年，一款名为“Virtuality 1000CS”的设备出现在消费市场，如图1-5所示。整个设备包含一个头戴式显示器、一个操作手柄、一个落地式操控台。体验者仅需戴着头盔站在操控台上，通过手柄操作即可。

但对于大众消费者而言，Virtuality 1000CS的缺陷非常明显。这款产品的外形十分笨重，操控台需要占据较大的空间；头戴式显示器体积也偏大，连接着两条粗笨的电线；功能非常单一，仅支持较少种类的游戏；此外，价格非常昂贵。

虽然Virtuality 1000CS并未得到消费者的广泛认可，却种下了虚拟现实在游戏领域应用的火种。

1995年，任天堂推出一款名为Virtual Boy的虚拟现实游戏一体机，如图1-6所示，外部连接手柄搭配使用，售价179美元。虽然Virtual Boy的设计理念非常超前，但外观却非常丑陋，设备被固定在一个支架上，显示效果也不太理想。加之游戏数量比较少，导致该款游戏机仅仅在市场上生存了6个月就销声匿迹，但它为虚拟现实硬件进军大众消费市场打开了一扇门。

总体来说，这些商业化案例基本上最终都未能成功，原因在于相关产业基础能力不达标。比如，虽然LCD显示器已实现规模量产，并能够独立购买，但在体积、刷新率、耗电量等指标上，都还达不到虚拟现实体验的基本要求。虽然显卡芯片已经出现，但计算能力还比较弱，无法满足虚拟现实对实时画面渲染的要求。

这些初试商业化的案例，虽然最终都以失败告终，但依然具有重要的产业贡献。一是说明了虚拟现实可以应用于行业应用和大众消费两个领域，并且都存在商业化的潜力；二是在大众消费领域，虚拟现实游戏主机及虚拟现实游戏，是重要的商业化领域。

此外，在这一时期，一批用于VR系统开发的软件平台和建模语言开始出现。1989年，Quantum 3D公司开发了Open GVS。1992年，Sense8公司开发了WTK。1994年，在日内瓦召开的第一届WWW大会上，首次提出VRML，开始了相关国际标准的制定。

1.3.3　第三次热潮，全速起飞

时间来到2012年。

2012年8月，一款名为Oculus Rift的虚拟现实头戴式显示器产品登陆美国众筹网站Kickstarter。该产品拟将广视场角、低延迟的沉浸式虚拟现实体验，以亲民的价格带给大众消费者。项目上线后，引起大众的广泛关注和支持。在一天的时间内成功募集资金超过25万美元，一月内最终募集近250万美元，成为众筹项目明星。

不仅是科技爱好者，风险投资也对它给予巨大的热情和支持。2013年6月，Oculus公司完成A轮1600万美元融资，半年后完成B轮7500万美元融资。2014年3月，Facebook创始人扎克伯格在体验过Oculus Rift后，坚定地认为其代表着下一代的计算平台，并用20亿美元的价格将其收购。

此举在业界引起轰动，将虚拟现实再次拉回到公众的视野，并一举成为2015年最受关注的新兴技术之一。

头戴式显示器设备获得了极高的关注度。2015年以来，多款消费级终端产品被公开发售，并受到大众消费者追捧：

·2015年11月20日，韩国三星推出与Oculus公司合作的，基于智能手机的虚拟现实头戴式显示器Gear VR，售价仅99美元；

·2016年1月7日，Oculus公司正式面向大众消费者，开放预售消费者版Oculus Rift头戴式显示器，售价599美元，3月28日正式发货；

·2016年2月29日，智能手机厂商HTC与美国电子游戏制作和发行商Valve，合作研制的虚拟现实头戴式显示器HTC Vive，正式面向大众消费者开放预售，国内零售价格为6888元，4月5日正式发货。

除头戴式显示器设备商之外，计算、显示芯片厂商，内容制作商，应用开发商也都对虚拟现实产生极大兴趣，并进行积极投入。围绕虚拟现实，一个完善的产业正在被建立起来。比如，在计算芯片领域，高通、英伟达等领先公司，都针对虚拟现实的特性，对旗下的芯片进行针对性优化升级。3D引擎Unity公司推出了针对虚拟现实的游戏引擎，让虚拟现实游戏开发变得更简单。著名运动相机品牌Gopro推出了全景摄像机，让全景视频的拍摄变得更容易。

同时，虚拟现实在各行各业的应用实践，也在如火如荼地开展，体验内容和应用场景在不断丰富。当前，虚拟现实技术在游戏领域的应用，得到最多开发者的关注和尝试。在医疗领域，利用虚拟现实技术进行教学、辅助手术、康复治疗等项目，不断出现。此外，虚拟现实在教育、旅游、房地产、电商、汽车等领域的应用尝试，正在被不断开发。