虚拟现实：亦幻亦真的未来

赵洋

现实扭曲力场

现在轮到你进入太空了。扣好头盔，你发现自己置身于气闸舱中。身体轻轻地向前飘动，气闸舱门无声地滑开，前方是一间无重力绝尘室。快飘到天花板时，你下意识地低了低头，面罩外，你的双手缓缓撑住天花板作为缓冲。又以游泳的姿势穿过几个房间后，你终于置身于太空中了。没有地板，没有墙壁，没有天花板，只有冰冷、空虚、令人生畏的黑色虚空和四面八方的星辰，以及这个荒废的太空站飘浮的残片。

有那么一刻，你感到一阵惊慌失措，担心自己会失去控制进入永恒的黑暗。好在你不用为了生存而慌乱地寻找氧气，你的生命并未受到真正的威胁。这种紧张气氛大多是幻觉的产物。根源在头盔上，那并不是航天服上的头盔，而是Oculus Rift虚拟现实头盔。本文开头的那段描述，来自第一批用该头盔玩某款太空冒险游戏的用户。

虚拟现实技术最早以“沉浸式电脑显示”的面貌出现，该设想可追溯到20世纪60年代初。当时，美国摄影师莫顿·海利希创造了“拱廊体验”，利用电影技术给观众营造了游览曼哈顿的想象之旅。他创造性地给座椅及扶手添加振动功能，让观众经历了一次妙趣横生的三维旅行——当观众在车流中改变速度时，甚至风速也跟着改变。为进一步增强现实感，汽车释放的烟雾及路边比萨店的气味也会适时地释放出来。这是第一次成功地创造了一种被动式的虚拟现实体验。1962年，莫顿·海利希为“体验剧场”的传感刺激器申请了专利，他也因此赢得了“虚拟现实之父”的美誉。

在1965年的计算机图形处理研讨会上，时任美国国防部高级研究计划署信息处处长的伊凡·苏泽兰作了题为《终极显示》的报告，提出用头盔显示装置观看计算机产生的虚拟图像，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。这个报告提出了虚拟现实技术实现的基本方案，因此被认为是虚拟现实技术的里程碑。1968年，苏泽兰发明了名为“达摩克利斯之剑”的虚拟现实头盔设备，让虚拟现实设备具有了一定的便携性。此后，他的研究得到了美国军方的赞助，人机交互技术开始被用于航天员的操作训练上。

20世纪80年代，个人电脑的兴起引发了人们对家用小型虚拟头盔的期待，有不少科幻小说和科幻电影都涉及虚拟现实。虽然书籍热销、票房大卖，但实际产品仍不见踪影。直到90年代，才出现了一些面向大众的虚拟现实设备，如1991年，英国有一款名为“虚拟世界1000CS”的头戴式设备，极其笨重，人们戴着它就像罩着一台真空吸尘器一样。90年代初，孩之宝公司花费5900万美元和三年多的时间开发了名为“家庭虚拟现实系统”的控制台和头盔，后因市场反应不佳，不得不放弃这一项目。更多的时候，虚拟现实产品会因技术问题而失败。1996年，任天堂推出180美元的视频游戏机Virtual Boy，但消费者认为三维图形效果索然无味，虚拟现实头盔只显示单调的红色，且分辨率低，目镜震动，用起来让人头晕目眩、腰酸背痛，最终Virtual Boy只卖出不到80万套。

过去几十年，虚拟现实技术停滞不前的原因主要是计算、显示和追踪能力达不到要求。虚拟现实是计算资源密集型技术，家用电脑、手机和游戏机完全无法应对，导致这项技术不够轻便。而且，由于缺乏高分辨率显示技术和精准的头戴式追踪设备，虚拟现实技术难以创造栩栩如生的虚拟体验。

不过，近年来随着高性能微处理器的突破，移动宽带技术的爆炸式发展和移动传感技术的进步，虚拟现实技术正在大踏步前进，硬件设备的重量越来越轻，效果越来越逼真，造价也更便宜。从软件角度而言，家用虚拟现实设备已跨过了转折点。

2012年，虚拟现实头盔设备Oculus Rift通过众筹网站融资240万美元。一年以后，Facebook就以23亿美元巨资收购了开发该头盔的公司。除了电子游戏公司争相与其合作，其他产业也迅速跟进：电影《零点》是第一部专门为Oculus Rift头盔拍摄的第一人称360度电影；摇滚乐队“酷玩”不久前发布了现场演出的虚拟现实版；一家公司在橄榄球传奇教练Mike Ditka的支持下启动运动员虚拟现实训练项目；福特的汽车工程师利用Rift检验新车设计的3D模型；万豪酒店推出了虚拟现实电话亭，潜在客户足不出户便可体验环球之旅；美国国防部高级研究计划署在防止网络攻击的网络可视化工具中利用Rift头盔。总之，虚拟现实技术可以在军事训练、医疗保健、在线教育等众多领域一显身手，但最直接的当属价值千亿美元的游戏产业，玩家们十分乐意以新奇的方式体验游戏。

虚拟现实三原则

虚拟现实是一种多通道的人机交互接口，人们可以通过视觉、听觉、触觉和加速度感等多种感觉通道感知计算机模拟的虚拟世界，也可以通过移动、语音、表情、手势及视线等最自然的方式和虚拟世界交互，从而产生身临其境的体验。

虚拟现实技术有三大原则性特征：沉浸感、交互性和想象性。

沉浸感 是指使用者可以全身心投入并沉浸在计算机生成的虚拟环境中，产生身临其境的感觉。使用者所见、所听、所闻、所触完全与真实环境中感受的一样，这是虚拟现实技术的核心特征。

沉浸感源自传统的全景画艺术，全景画是最早的沉浸式作品。目前的沉浸式虚拟现实，也是依照全景画的理念进行的。以体育比赛转播为例，电视观众虽然能够享受特写、回放和不同镜头视角，但却无法像体育场内的观众那样轻松地切换视野。在电视直播的特写镜头里，中锋带球过人，向着球门长驱直入，可几秒钟后，一个后卫队员闯进镜头活生生把球拦下。电视观众由于视角所限，往往会诧异这个后卫是从哪儿冒出来的，但现场观众由于眼观全局，完全不会有这样的困惑。借助全景化的虚拟现实技术，观看体育比赛转播会变得更加身临其境、全神贯注。

但人类接收外部信息的方式是多元的，视觉只占全部信息来源的80%。传统虚拟现实一般只提供视觉模拟，沉浸感较弱，可以很容易分辨现实环境与虚拟环境。这就要用到多感知技术，即除了具有视觉感知或听觉感知之外，还有味觉、触觉、嗅觉和运动感知等。在理想状况下，沉浸式虚拟现实技术应该具有人类具有的一切感知功能，这样才能使用户真假难辨，全身心地投入虚拟环境中。

目前，已经有人在研究欺骗味觉和嗅觉的方法，如一个日本团队使用芳香扩散器来提升虚拟体验中的嗅觉，将芳香油变成怡人的香味。这种体验不久后能在一款美食虚拟现实应用中重现。据悉，该团队将啤酒味、肉汤味、香料味和水果味的液体制成气雾已经获得成功，眼下他们正在实验用营养酵母和香菇粉来让仿制牛排，重现真牛排的风味和鲜味。

伦敦城市大学的普适计算教授阿德里安·凯奥克更进一步，他希望能够摆脱化学手段，通过电子或磁性信号来刺激嗅觉和味觉。凯奥克制作了一种原型，通过电子方式在人脑中制造人工味觉。这是一块简陋的电路板，有金属部分伸出。把舌头放在金属部分上，通电后能明显感觉到酸味——甜、咸和苦味还在开发当中。电子化的气味更有难度。感知气味的嗅球位于鼻腔后部，探查起来会让人不舒服。凯奥克打算在嘴里放一块微型磁力线圈，制造脉冲磁场，产生电流，作用于嗅球。这种装置可以设计成类似护齿器那样的东西。

电子味觉技术的突破可能会带动“电子食品”的开发。届时，人们将通过互联网传播味道。如数字化音乐一样，人们将使用技术来发明新的味道和全新的食品。

交互性 是指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力。用户进入虚拟环境后，通过各式传感器与信息环境进行交互，用户进行各种操作，虚拟环境会作出相应的响应，如拿起虚拟环境中的一只篮球，可以感受到球的重量，球扔在地上还会弹跳等。

3D视觉成像技术能够让人看到逼真的立体画面，但却留下了“可望而不可即”的遗憾。不久前，日本发布的一项3D触觉技术则有望在将来让虚拟现实变得“触手可及”。 3D触觉技术通过视觉图像和戴在指尖的振动装置协同作用，欺骗人脑的感觉系统，使人产生切实触摸到虚拟物体的错觉。在按下虚拟“按钮”的同时，用户能感受到真实般的触感。

目前，研发者已经可以制作出硬币状、棒状、笔状或其他简单形状的外部设备。未来，该项技术有广泛的用途。例如，植入游戏控制器中，使玩家在游戏中作出推、拉、踢、打等动作时，能够亲身感受到来自控制器的实际阻力，强化游戏体验。此外，该技术还能在医疗等领域发挥作用，协助医生进行远程遥控手术操作，或制作具备辅助导航功能的盲人手杖等。

另外一种交互性的应用，被称为“强化凝视”。研究表明，在课堂上，如果老师凝视着学生，学生的心跳会加速，能记住更多授课内容。但是，同时与教室中的几十位同学保持眼神交流是不可能的。现在可以通过虚拟现实技术，将老师的虚拟化身显示在每个学生的显示屏上，每个学生都可以与虚拟老师的面孔进行眼神互动交流，觉得老师一直凝视着自己。在过去15年中，美国斯坦福大学虚拟人机交互实验室对几百名学习者作过实验。结果显示，如果学生认为自己一直是老师目光的焦点，他听课会更认真，成绩也会相应地得到提升。

想象性 是指通过用户沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟环境进行各种交互作用，从综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而可以深化概念，萌发新意，产生认识上的飞跃。因此，虚拟现实不仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸在此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。这种构思结果输入到系统中去，系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。如此反复，这是一个学习—创造—再学习—再创造的过程。

在电影《星际迷航》（2009）中，太空学校的少年们在虚拟的场景里上课。有了虚拟现实技术，物理老师讲到重力时，可以让学生在虚拟的月球和火星表面跳跃，真切地感受重力加速度与质量的关系。在生物课上，如果学生要了解海底生物之间的关系，老师可以通过虚拟现实创造出一片海洋，让孩子们在海底畅游，探索海底生态环境、地质构造及洋流变化等。总之，虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，如建造人体模型、太空旅行、化合物分子结构显示等，在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验，从而巩固和加速学生学习知识的过程。主动的交互与被动的灌输有本质的差别，亲身去经历、亲身去感受，显然比空洞抽象的说教更具说服力。利用虚拟现实技术，学校可以建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室等，拥有传统实验室难以比拟的优势。

在虚拟现实的“想象性”上投入最多的当属军方。美国国防部认为，虚拟现实将在武器系统性能评价、武器操纵训练及指挥大规模军事演习三方面发挥重大作用。为此，他们设计了战争综合演示厅计划、防务仿真交互网络计划、综合战役计划及虚拟座舱等应用环境，并在核武器实验及许多局部战争中进行了应用。

意想不到的未来

下一代虚拟现实技术不仅能用于家庭娱乐系统，还能广泛应用于健康科学、金融服务和制造业领域，帮助人们应对慢性疼痛、避免工伤事故、完善退休储蓄方案等。

斯坦福大学虚拟人机交互实验室与斯坦福大学的麻醉学系合作，将患有慢性区域性疼痛综合征的儿童置入虚拟仿真环境中，让他们的大脑摆脱不愉快的理疗和治愈方法。儿童使用“阿凡达”一样的电脑生成的替身，来完成一些简单的活动，比如戳气球，以此转移他们对身体痛苦信号的注意力。

华盛顿大学的研究人员发明了一种类似的疗法，叫作“雪世界”。伴随着的音乐，病人可以在虚拟仿真环境中专注地向企鹅和乳齿象扔雪球，而不用想着疼痛的伤口和灼热的疗法。研究显示，这项技术非常有效，大大减少了强力麻醉药和其他易于使人上瘾的止痛药的需求。

即便是在减少种族歧视这样比较“软”的人文社科领域，虚拟现实技术也有妙招。一个人走近一面镜子，看到镜中的自己是一名白人男性。这时，突然有人按下按钮，镜中的形象变成了一名黑人女性。这种虚拟化身与本体的不一致会给当事人的种族态度造成一定影响。在运用虚拟现实的世界里，如果你的化身是弱势群体或残障人士，你会体会到各种不便，也会更加了解这些人的不易。对这种角色的扮演会提升人们的同理心，而且人们在虚拟世界中更愿意帮助别人。

“虚拟宇宙”是尼尔·斯蒂芬森在1992年的科幻小说《雪崩》里发明的名词，目前正作为虚拟世界的通用名称而广为流传。随着虚拟现实技术的进一步发展，电脑构造的世界将更加逼真，从而导致人们更有可能过度使用虚拟现实，因此有人对通过虚拟现实技术来逃避现实表现担心。但是，这种逃避真的有百害而无一利吗？

其实，没人能证明优于现实人生的虚拟人生就一定是不好的。如果一个人可以通过沉浸式的虚拟世界来满足他作为人类的基本需求，谁有权不让他这么做呢？

斯坦福大学的心理学家伊莱亚斯博士认为，逃避现实是一种自然机制，虽然很多社会都对逃避现实持消极态度，但其实每个人都在一定程度上逃避现实。虚拟现实的魅力并不在于它能帮助我们完全脱离现实，而是在于它让我们相信，我们能够改变现实。从这一角度看，虚拟世界或许能为我们提供审视现实世界的新方法。随着虚拟现实技术的迅猛发展，它将为我们提供一个充满无数奇迹和可能性的平行宇宙。

1984年，威廉·吉布森在其科幻代表作《神经浪游者》中创造了“赛博空间”一词。最初，吉布森将赛博空间描述为一种“同感幻觉”，是一个略带贬义的概念。他认为，西方文化一直存在一种倾向，即精神比物质更重要。吉布森预言，媒体将不断融合并最终达到淹没人类的一个阈值点。赛博空间意味着把日常生活排斥在外的一种极端状况。有了这样一个空间，人们可以把自己完全包裹在媒体中，再也不用关心真实世界的大事小情。随着虚拟现实技术和媒体技术的高速发展，这种亦幻亦真的未来仿佛不再遥远。

【责任编辑：杨 枫】