从虚拟世界到元宇宙

■文/王 楠 王国强

元宇宙连通现实世界和平行存在的虚拟世界，它承载了人类对虚拟世界的无限向往和想象。

2021 年可以说是元宇宙元年。标志性事件发生在2021 年3 月11 日，被称为“元宇宙第一股”的美国游戏创作平台Roblox 登陆纽约证券交易所，上市首日市值达到382 亿美元，引爆了元宇宙热潮。在这之后，元宇宙概念和相关讨论迅速充斥各类媒体和网站，引发社会热议。科技巨头开始加紧布局元宇宙。3 月22 日，美国半导体公司Nvidia 推出面向企业的实时仿真虚拟工作平台Omniverse。4 月13 日，美国游戏公司Epic Game 发起一项10 亿美元的融资用于元宇宙研发。8 月底，字节跳动公司收购全球第三大虚拟现实（VR）头戴式耳机厂商Pico，迈出布局元宇宙的第一步。10 月28 日，脸书（Facebook）公司更名为Meta，并计划在未来5 年从一家社交媒体公司转型为一家元宇宙公司。2021 年12 月30 日，《中国新闻周刊》发布了“年度十大热词”，“元宇宙”入选2021年最火热的网络用词。

人类对元宇宙的认知

“元宇宙”（Metaverse）一词最早见于美国科幻作家斯蒂芬森（Neal Stephenson）在1992 年出版的小说《雪崩》（Snow Crash）。斯蒂芬森在书中描绘了一个由计算机模拟的、平行于现实世界的虚拟世界——元宇宙，人们通过便携式终端访问这个虚拟世界，并以数字化身（Avatar）的形式在其中互动。

在 英 语 中，“Metaverse” 是“meta” 和“universe”的组合。“meta”源于希腊语“μετ”，有“之后”“在……之上”或者“超越”等多种含义。“universe”源于拉丁语“universum”，表示时间、空间及其所包含物质的一切存在。在汉语中，“universe”被译作“宇宙”，出自西汉时期《淮南子·齐俗训》的“四方上下谓之宇，古往今来谓之宙”。从词源学的角度看，“Metaverse”表达了现实世界之上的虚拟世界的涵义。企业家和学者也从不同角度阐释了对元宇宙的理解。加拿大风险投资家鲍尔（Matthew Ball）认为，元宇宙是移动互联网之后的新一代互联网。美国微软公司首席执行官纳德拉（Satya Nadella）认为，元宇宙是增强现实。美国人工智能公司Nvidia 的创始人兼首席执行官黄仁勋认为，元宇宙是连接真实世界、多人共享的虚拟世界。中国经济学家王巍认为，元宇宙是一个与现实世界相互作用的数据化、网络化、智能化的超现实世界。总之，人们对元宇宙的理解随着新兴技术和产业的发展而不断演进，但“虚拟世界”始终是元宇宙概念的核心。

元宇宙不是某一项技术，而是一系列数字技术融合的产物，主要由5 个层面组成：一是网络基础，目前主要是5G 网络；二是数据处理，主要涉及人工智能、云计算和边缘计算；三是认证机制，主要是区块链及其衍生技术，如非同质化通证（NFT）；四是内容生产，如人工智能、数字孪生等；五是虚实界面，主要包括虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）、扩展现实（XR）等。因此，从技术的角度看，元宇宙是数字化的虚拟世界。

目前，VR 和AR 是人们体验元宇宙的主要方式。VR 是人们通过交互设备与计算机创造的虚拟世界进行实时交互，获得视觉、听觉、触觉等多维度感观和沉浸式体验的技术，代表性应用包括VR 头盔和数据手套。AR 将计算机生成的声音、视频、图形、全球定位系统（GPS）坐标等数字内容叠加到现实场景上，以增强人们对真实世界的感知，代表性应用包括谷歌眼镜、微软HoloLens 智能眼镜和AR 手机游戏“精灵宝可梦GO”。此外，在VR 和AR 技术的基础上，还衍生出了MR、XR 等新的概念。

1787 年

爱尔兰画家巴克创作了世界上第一幅全景画。

1832 年

英国物理学家和发明家惠特斯通发明立体镜。

1939 年

美国发明家和电影先驱沃勒发明第一个全景影像系统Vitarama。

1962 年

美国电影摄影师海利希发明Sensorama 模拟器。

人类营造虚拟世界的努力

元宇宙概念的诞生从斯蒂芬森的小说《雪崩》算起迄今不过30 年，然而，人类对元宇宙背后虚拟世界的探索从200 多年前就已经开始，大体上可以分为3 个阶段：从18世纪末到20 世纪50 年代，计算机技术诞生以前，全景画、立体镜和全景电影是人们营造虚拟世界的主要手段；从20 世纪60 年代到80年代中期，基于计算机技术的头戴式显示器、人工现实、数据手套和阿斯彭电影地图等早期VR 技术在实验室中不断发展；从20 世纪80年代中期至今，VR 技术走出实验室进入日常生活，尤其是在电子游戏领域得到广泛应用。

● 第一阶段：18 世纪末到20 世纪50 年代

人类对营造虚拟世界的最早尝试始于全景画。1787 年，爱尔兰画家巴克（Robert Barker）创作了世界上第一幅全景画，180°视角的《来自卡尔顿山的爱丁堡全景》。1893 年，巴克在伦敦莱斯特广场的一座圆形大厅里展示了第一幅360°全景画《来自阿尔比恩磨坊的伦敦全景》。全景画模糊了二维画面与观众所处三维空间之间的视觉界限，使人们如身临其境般沉浸在画作所描绘的事件或场景中。

1832 年， 英 国 物 理 学 家和发明家惠特斯通（Charles Wheatstone）发现人类大脑将来自左眼和右眼的不同二维图像合成为一个三维立体视图，由此发明了立体镜（Stereoscope）。人们通过立体镜观察两个并排的立体图像或照片，可以看到立体影像，从而获得视觉深度和沉浸感。1938年，美国摄影师格鲁伯（William B. Gruber）在美国索耶公司的支持下推出了改进版的立体镜View-Master，这一发明在1939 年纽约世界博览会上引发轰动，成为风靡一时的儿童玩具。第二次世界大战期间，美国军方从索耶公司购买了10 万个立体镜用于人员培训。立体镜的设计原理如今被用于谷歌纸板（Google Cardboard）和低配版VR 头戴式显示器。

这种运用深度和空间错觉营造沉浸感的方法也被用于全景电影（Cinerama）。1938 年， 美 国 建筑师沃克（Ralph Walker）向美国发明家和电影先驱沃勒（Fred Waller）咨询如何在纽约世界博览会的球形房间里放映电影，于是沃勒开始设计一种利用周边视觉（Peripheral Vision）的错觉来模拟三维深度的立体投影技术。1939年，沃勒在纽约世界博览会的石油工业展上展示了名为“Vitarama”的全景影像系统，11 台投影仪将图像投影在垂直75°、水平130°、半径6 英尺（约1.83 米）的球体截面上，取得了出色的三维效果。第二次世界大战期间，美国陆军航空队在Vitarama 的基础上开发了“沃勒灵活机枪训练系统”（Waller Flexible Gunnery Trainer），作为空中射击训练的模拟器。沃勒的发明引起了美国演员托马斯（Lowell J. Thomas） 的 注 意。1952 年，托马斯投资制作的全球首部全景电影《这是全景电影》（This is Cinerama）在美国纽约市百老汇剧院上映，这部电影使用3 台同步放映机投影到一个巨大的弧形银幕，向观众提供了146°的水平视野和七声道立体环绕声。全景电影是现代巨幕立体电影（IMAX 电影）的前身，它的出现改变了电影讲故事的技术，在日后极大地促进了虚拟现实的发展。

● 第二阶段：20 世纪60 年代到20世纪80 年代中期

1963 年美国计算机图形学和互联网先驱萨瑟兰创建了第一个计算机绘图程序“画板”（Sketchpad）。

1965 年

萨瑟兰提出“终极展示”概念。

1968 年

萨瑟兰发明了世界上第一个VR 头戴式显示器。

1977 年

美国计算机图形学家桑丁和德凡蒂发明数据手套。

《这是全景电影》的成功上映鼓舞了美国电影摄影师海利希（Morton L. Heilig）对人类感官刺激和幻觉的研究。1962 年，海利希发明了Sensorama 模拟器，这是一个类似街边游戏机的电影柜，配备了立体声扬声器、立体3D 显示器、风扇、气味发生器和振动椅，可以有效刺激多种感官，使观众完全沉浸在电影中。Sensorama 是已知最早的多感官、沉浸式技术，海利希也由此被誉为“虚拟现实之父”。

基于计算机的现代VR 技术也开始在交互式计算机图形学领域萌芽。1963 年，美国计算机图形学和互联网先驱萨瑟兰（Ivan E.Sutherland）在博士论文中编写了一个名为“画板”（Sketchpad）的计算机程序，这是一个使用光笔和控制板在阴极射线管显示器上交互式绘图的系统，可以绘制水平线和垂直线并将它们组合成图形和形状。“画板”不仅引发了计算机图形学和人机交互技术的革命，还是现代计算机辅助设计程序的源头。

1965 年，萨瑟兰在一篇名为《终极 展 示》（Ultimate Display）的论文中提出如何利用计算机构建一个“为尽可能多的感官服务”的“数学仙境”，其核心理念包括：利用计算机创建虚拟世界，并实时维护计算机硬件；人们通过头戴式显示器观看虚拟世界，并通过3D立体声音和触觉反馈获得身临其境的体验；人们以现实世界中的方式与虚拟世界里的对象进行交互。“终极展示”概念成为现代VR 技术的发展蓝图。1968 年，为了实现“终极展示”，萨瑟兰发明了世界上第一个VR 头戴式显示器。头戴式显示器由悬挂在实验室天花板上的机械臂牵引来跟踪头部的运动，这套巨大的机械跟踪装置被称为“达摩克利斯之剑”，系统通过计算机向使用者输出立体图像，而用户视角取决于眼睛注视的位置。然而，这套系统的用户界面和真实感方面都很原始，虚拟图形由简单的线框构成。

1969 年，美国计算机艺术家克鲁格（Myron W. Krueger）开始创作一系列被称为“人工现实”（Artificial Reality） 的 计算机艺术作品。第一个作品是“Glowflow”，这是一个由计算机控制灯光和声音的黑暗房间，最初安置在美国威斯康星大学的纪念联盟画廊，在这里观众的脚步声会触发传感器，在计算机控制下激活磷光管的实时视觉响应和穆格合成器的听觉响应。1970 年，克鲁格又开发了“Metaplay”，这是一个由闭路视频系统连接两个房间的系统。参与者进入画廊时可以看到自己投影到画廊的屏幕上，而克鲁格在另一个房间里通过视频和平板电脑与参与者实时互动。1971 年，克鲁格设计了“心理空间”（Psychic Space），通过地板上的传感器来感知参与者在环境中的动作。1975年，克鲁格在密尔沃基艺术博物馆展示了“Videoplace”，这项技术集成了计算机图形、光投影、摄像头和屏幕，可以使人们在计算机生成的虚拟环境中实时交流，被认为是第一个交互式VR 系统。

1977 年，美国计算机图形学家桑丁（Daniel J. Sandin）和德凡蒂（Thomas A. DeFanti）发明了第一个基于计算机的手势识别系统，其又被称为数据手套或有线手套。手套的每根手指都绑定了柔性软管，柔性软管的两端分别连接光源和光电管。当手指弯曲时，照射到光电管的光量减少，通过测量光电管电压的变化得到手指弯曲的测量值。

1987 年

美国计算机科学家拉尼尔提出“虚拟现实”一词。

1988 年

NASA 开发“虚拟接口环境工作站”，并建立VR 标准体系。

1990 年

美国波音公司研究员考德尔提出“增强现实”。

1992 年

美国科幻作家斯蒂芬森在小说《雪崩》中首次提出“元宇宙”。

美国人工智能科学家罗森堡发明了第一个沉浸式AR系统Virtual Fixtures。

1978 年， 美 国 麻 省 理 工学院的学生奈马克（Michael Naimark）、克莱（Peter Clay）和莫尔（Bob Mohl）在美国国防高级研究局（DARPA）的资助下开发了阿斯彭电影地图（Aspen Movie Map）。他们使用4 台胶片相机在计算机控制下拍摄了美国科罗拉多州阿斯彭市的街景，这些镜头以建筑为单位组成一系列独立的场景，并存储到光盘上。每一座建筑的图片以及与建筑相关的内部照片、历史图像、餐厅菜单、采访视频等额外信息被收入数据库，并与城市地图建立关联。数据库中的信息通过计算机编码转换成模拟视频的数字信号。此外，设计团队还开发了一套动画系统，将建筑物的2D 屏幕坐标转化为3D 模型。这一系统使人们能够通过视频对阿斯彭市进行虚拟访问。

1983 年，美国贝尔实验室科学家格兰姆斯（Gary Grimes）开发了第一个被广泛认可的数据手套。手套配备了手指弯曲传感器、指尖触觉传感器、方向感应器和手腕定位传感器，通过摄像机跟踪传感器位置的变化来跟踪手的动作。这款数据手套最初被设计为键盘的替代品，它将手势和手的方向与特定字符相匹配，可识别80 种传感器读数组合并输出一个包括96 个ASCII码的字符集。

● 第三阶段：20 世纪80 年代中期至今

1984 年，美国计算机科学家拉尼尔（Jaron Lanier）成立可视化编程实验室（VPL Research），这是第一个销售VR 头戴式显示器和数据手套的VR 公司。1987 年，拉尼尔提出了“虚拟现实”（Virtual Reality）一词，用于描述3D 仿真、实时通信和沉浸式体验的虚拟空间。1988 年，美国国家航空航天局（NASA）为了在未来的行星探索中为自动化空间站开发遥控机器人，开发了“虚拟接口环境工作站”（VIEW）。VIEW 作为训练航天员的VR 模拟器，将头戴式设备与数据手套相结合，实现了触觉交互。在开发VIEW 系统的过程中，NASA建立了一套VR 技术标准体系，包括立体头戴式显示器、头部跟踪器、语音识别、计算机图形、数据手套和3D 音频技术等。20 世纪90 年代，消费级的VR 设备开始在电子游戏中广泛使用，VR 技术逐渐进入日常生活，成为我们今天所熟悉的形态。1993 年，日本世嘉（SAGE）公司发布了用于世嘉创世纪游戏机的VR 头戴式耳机，集成了LCD 屏幕、立体声耳机和一个简易惯性传感器，可以实现原始的头部跟踪。1994 年，世嘉公司又发布了一款街机运动模拟器，使用者可根据游戏屏幕上发生的情况进行互动。1995 年，日本任天堂（Nintendo）公司发布被称为“虚拟男孩”的游戏机，这是第一款可以实现3D 立体显示的便携式游戏机。

进入21 世纪，更高分辨率的显示器和多方向运动跟踪技术被应用于新一代头戴式显示器中，而游戏引擎和音频引擎的升级也使VR 技术研发人员能够构建更加逼真的虚拟世界。2010 年，美国Oculus 公司创始人、当时年仅17 岁的勒基（Palmer Luckey）完成了VR 头盔Oculus Rift 的第一个原型机，首次采用了90°视野。2014 年，日本索尼公司发布了基于PS4 游戏平台的VR 头盔。同年，日本初创公司FOVE SDK 推出了全球第一款具备眼球追踪功能的VR 头戴式耳机。2015 年，美国视频游戏公司Valve和中国台湾的VR 设备制造商宏达国际电子公司联合推出了Vive 头戴设备和控制器，采用房间规模跟踪（Room-scale VR）技术，使用者能够在虚拟世界里复制其在真实世界里的移动，这被认为是目前VR 技术最前沿的方向之一。2018 年，收购了Oculus 的脸书公司展示了一款名为“半穹顶”（Half-dome）的新型头戴式耳机，采用了变焦镜头和140°极宽视野，通过跟踪瞳孔移动来动态调整屏幕，从而提升沉浸感和舒适度。2019 年，脸书公司推出了一款无线头戴式耳机Oculus Quest，不需要配置专用电脑或手机即可独立运行。

1993 年

日本世嘉公司发布了用于游戏机的消费级VR 头戴式耳机。

1999 年

日本计算机科学家加藤开发了ARToolKit 开源软件库。

2010 年

美国Oculus 公司创始人勒基完成Oculus Rift 的第一个原型机。

2014 年

美国谷歌公司推出谷歌眼镜。

2021 年

当前虚拟世界的进一步探索

美国游戏创作平台Roblox在纽约证券交易所上市，脸书（Facebook）公司更名为Meta 。

1990 年，美国波音公司研究员考德尔（Thomas P. Caudell）最早提出“增强现实”（Augmented Reality）一词，用于描绘一种使用头戴式显示器来实时查看飞机组装流程图的构想。1992 年，美国人工智能科学家罗森堡（Louis Rosenburg）在斯坦福大学从事博士研究期间为美国空军阿姆斯特朗实验室设计了“虚拟支架系统”（Virtual Fixtures），使用者穿戴上身外骨骼装置远程操纵两个机器人手臂，通过头戴式显示器将机器人手臂的虚拟影像叠加到外骨骼装置的手臂上，这是世界上第一个沉浸式增强现实系统。1994 年，美国电视制片人马丁（Julie Martin）创作了第一部增强现实舞台剧《网络空间之舞》（Dancing in Cyberspace），由杂技演员实时操控的虚拟投影和舞蹈演员在真实舞台一同起舞。1998年，美国运动视觉（Sportsvision）公司在转播美国国家橄榄球联盟（NFL）乌鸦队和孟加拉虎队的比赛时首次展示了由美国工程师霍尼（Stan Honey）开发的“黄色第一下线”（Yellow First Down Line），电视机前的球迷第一次可以看到橄榄球越过球门线平面的准确时刻。这项技术至今仍然在足球、橄榄球等比赛中使用，观众已经习惯了黄线标记，而大多数人甚至不知道这是一种AR 技术。1999 年，NASA 在其为国际空间站研发的再入式乘员返回飞船X-38 号原型机上配置了名为“地貌”（Landform）的混合合成视觉系统，该系统将X-38 着陆路径的三维数字地图叠加到飞船的实时飞行视频上，为宇航员在封闭的X-38 飞船中提供增强的态势感知和导航。

“增强现实”概念提出后的第一个10 年里，AR 技术主要在实验室中发展，直到1999 年日本计算机科学家加藤（Hirokazu Kato）开发了一个名为ARToolKit 的开源软件库，第一次实现了视频捕捉跟踪以及虚拟对象交互，这是AR 技术的两个关键问题。这项技术使人们能够在带有摄像头和互联网连接的手持设备上体验增强现实。2000 年，美国罗克韦尔国际科学中心展示了一款无线式可穿戴增强现实系统，该系统结合户外导航功能将来自地形数据库的数字地平线轮廓覆盖在户外场景上，使用者可以不受云雾等恶劣天气影响实时观察户外复杂地形。2009 年，美国《时尚先生》（Esquire）杂志首次在纸质媒体中使用增强现实技术。饰演过“钢铁侠”的美国演员唐尼（Robert Downey）事先在绿幕前拍摄了表演视频，杂志封面显示小唐尼坐在一个标记了二维码的盒子上，当读者将二维码对准网络摄像头时，会在电脑屏幕上看到唐尼从盒子上跳下来，当读者转动或倾斜杂志时可以看到不同的场景。2014 年，美国谷歌公司推出了谷歌眼镜（Google Glass），这是一款配备了光学头戴式显示器的增强现实智能眼镜，集成了智能手机、相机、GPS 等功能，使用者通过自然语言识别与互联网进行交流，无须动手便可上网冲浪、处理文字信息和收发电子邮件，还可以用语音控制拍照、视频通话和导航。2016 年，日本游戏公司任天堂发布了名为“精灵宝可梦Go”（Pokemon Go）的AR 手机游戏，用户可以使用智能手机在现实场景中定位、捕捉和训练虚拟精灵。同年，美国微软公司推出了一款名为“HoloLens”的增强现实智能眼镜，使用者可以在菜单中选择从宠物到航天飞船甚至行星的全息影像，并将其叠加到现实世界，创建自己的AR 体验。

我们正处在一个数字化不断加速的数字信息时代，新兴数字技术正在以前所未有的速度重构人类的生活，真实世界和虚拟世界的边界日益模糊。元宇宙是科技发展到万物信息化和智能化阶段的时代产物，它创造了一个信息充分包围人的虚实融合空间，未来能否演化出打破时空界限的新形态值得期待。