虛擬現實全息頭盔成為現實

05-26

當虛擬現實全息頭盔成為現實，走進你的生活，你會用他來幹嘛？廢話，當然是拿來玩遊戲咯。

現在輪到你進入太空了。扣好頭盔，你發現自己置身於氣閘艙中。身體輕輕地向前飄動，氣閘艙門無聲地滑開，前方是一間無重力絕塵室。快飄到天花板時，你下意識地低了低頭，面罩外，你的雙手緩緩撐住天花板作為緩衝。又以游泳的姿勢穿過幾個房間後，你終於置身於太空中了。沒有地板，沒有牆壁，沒有天花板，只有冰冷、空虛、令人生畏的黑色虛空和四面八方的星辰，以及這個荒廢的太空站飄浮的殘片。

有那麼一刻，你感到一陣驚慌失措，擔心自己會失去控制進入永恆的黑暗。好在你不用為了生存而慌亂地尋找氧氣，你的生命並未受到真正的威脅。這種緊張氣氛大多是幻覺的產物。根源在頭盔上，那並不是航天服上的頭盔，而是Oculus Rift虛擬現實頭盔。本文開頭的那段描述，來自第一批用該頭盔玩某款太空冒險遊戲的用戶。

虛擬現實技術最早以「沉浸式電腦顯示」的面貌出現，該設想可追溯到20世紀60年代初。當時，美國攝影師莫頓·海利希創造了「拱廊體驗」，利用電影技術給觀眾營造了遊覽曼哈頓的想像之旅。他創造性地給座椅及扶手添加振動功能，讓觀眾經歷了一次妙趣橫生的三維旅行——當觀眾在車流中改變速度時，甚至風速也跟著改變。為進一步增強現實感，汽車釋放的煙霧及路邊比薩店的氣味也會適時地釋放出來。這是第一次成功地創造了一種被動式的虛擬現實體驗。1962年，莫頓·海利希為「體驗劇場」的感測刺激器申請了專利，他也因此贏得了「虛擬現實之父」的美譽。

在1965年的計算機圖形處理研討會上，時任美國國防部高級研究計劃署信息處處長的伊凡·蘇澤蘭作了題為《終極顯示》的報告，提出用頭盔顯示裝置觀看計算機產生的虛擬圖像，從計算機顯示和人機交互的角度提出了模擬現實世界的思想。這個報告提出了虛擬現實技術實現的基本方案，因此被認為是虛擬現實技術的里程碑。1968年，蘇澤蘭發明了名為「達摩克利斯之劍」的虛擬現實頭盔設備，讓虛擬現實設備具有了一定的便攜性。此後，他的研究得到了美國軍方的贊助，人機交互技術開始被用於航天員的操作訓練上。

20世紀80年代，個人電腦的興起引發了人們對家用小型虛擬頭盔的期待，有不少科幻小說和科幻電影都涉及虛擬現實。雖然書籍熱銷、票房大賣，但實際產品仍不見蹤影。直到90年代，才出現了一些面向大眾的虛擬現實設備，如1991年，英國有一款名為「虛擬世界1000CS」的頭戴式設備，極其笨重，人們戴著它就像罩著一台真空吸塵器一樣。90年代初，孩之寶公司花費5900萬美元和三年多的時間開發了名為「家庭虛擬現實系統」的控制台和頭盔，後因市場反應不佳，不得不放棄這一項目。更多的時候，虛擬現實產品會因技術問題而失敗。1996年，任天堂推出180美元的視頻遊戲機Virtual Boy，但消費者認為三維圖形效果索然無味，虛擬現實頭盔只顯示單調的紅色，且解析度低，目鏡震動，用起來讓人頭暈目眩、腰酸背痛，最終Virtual Boy只賣出不到80萬套。

過去幾十年，虛擬現實技術停滯不前的原因主要是計算、顯示和追蹤能力達不到要求。虛擬現實是計算資源密集型技術，家用電腦、手機和遊戲機完全無法應對，導致這項技術不夠輕便。而且，由於缺乏高解析度顯示技術和精準的頭戴式追蹤設備，虛擬現實技術難以創造栩栩如生的虛擬體驗。

不過，近年來隨著高性能微處理器的突破，移動寬頻技術的爆炸式發展和移動感測技術的進步，虛擬現實技術正在大踏步前進，硬體設備的重量越來越輕，效果越來越逼真，造價也更便宜。從軟體角度而言，家用虛擬現實設備已跨過了轉折點。

2012年，虛擬現實頭盔設備Oculus Rift通過眾籌網站融資240萬美元。一年以後，Facebook就以23億美元巨資收購了開發該頭盔的公司。除了電子遊戲公司爭相與其合作，其他產業也迅速跟進：電影《零點》是第一部專門為Oculus Rift頭盔拍攝的第一人稱360度電影；搖滾樂隊「酷玩」不久前發布了現場演出的虛擬現實版；一家公司在橄欖球傳奇教練Mike Ditka的支持下啟動運動員虛擬現實訓練項目；福特的汽車工程師利用Rift檢驗新車設計的3D模型；萬豪酒店推出了虛擬現實電話亭，潛在客戶足不出戶便可體驗環球之旅；美國國防部高級研究計劃署在防止網路攻擊的網路可視化工具中利用Rift頭盔。總之，虛擬現實技術可以在軍事訓練、醫療保健、在線教育等眾多領域一顯身手，但最直接的當屬價值千億美元的遊戲產業，玩家們十分樂意以新奇的方式體驗遊戲。

虛擬現實三原則

虛擬現實是一種多通道的人機交互介面，人們可以通過視覺、聽覺、觸覺和加速度感等多種感覺通道感知計算機模擬的虛擬世界，也可以通過移動、語音、表情、手勢及視線等最自然的方式和虛擬世界交互，從而產生身臨其境的體驗。

虛擬現實技術有三大原則性特徵：沉浸感、交互性和想像性。

沉浸感是指使用者可以全身心投入並沉浸在計算機生成的虛擬環境中，產生身臨其境的感覺。使用者所見、所聽、所聞、所觸完全與真實環境中感受的一樣，這是虛擬現實技術的核心特徵。

沉浸感源自傳統的全景畫藝術，全景畫是最早的沉浸式作品。目前的沉浸式虛擬現實，也是依照全景畫的理念進行的。以體育比賽轉播為例，電視觀眾雖然能夠享受特寫、回放和不同鏡頭視角，但卻無法像體育場內的觀眾那樣輕鬆地切換視野。在電視直播的特寫鏡頭裡，中鋒帶球過人，向著球門長驅直入，可幾秒鐘後，一個後衛隊員闖進鏡頭活生生把球攔下。電視觀眾由於視角所限，往往會詫異這個後衛是從哪兒冒出來的，但現場觀眾由於眼觀全局，完全不會有這樣的困惑。藉助全景化的虛擬現實技術，觀看體育比賽轉播會變得更加身臨其境、全神貫注。

但人類接收外部信息的方式是多元的，視覺只佔全部信息來源的80%。傳統虛擬現實一般只提供視覺模擬，沉浸感較弱，可以很容易分辨現實環境與虛擬環境。這就要用到多感知技術，即除了具有視覺感知或聽覺感知之外，還有味覺、觸覺、嗅覺和運動感知等。在理想狀況下，沉浸式虛擬現實技術應該具有人類具有的一切感知功能，這樣才能使用戶真假難辨，全身心地投入虛擬環境中。

目前，已經有人在研究欺騙味覺和嗅覺的方法，如一個日本團隊使用芳香擴散器來提升虛擬體驗中的嗅覺，將芳香油變成怡人的香味。這種體驗不久後能在一款美食虛擬現實應用中重現。據悉，該團隊將啤酒味、肉湯味、香料味和水果味的液體製成氣霧已經獲得成功，眼下他們正在實驗用營養酵母和香菇粉來讓仿製牛排，重現真牛排的風味和鮮味。

倫敦城市大學的普適計算教授阿德里安·凱奧克更進一步，他希望能夠擺脫化學手段，通過電子或磁性信號來刺激嗅覺和味覺。凱奧克製作了一種原型，通過電子方式在人腦中製造人工味覺。這是一塊簡陋的電路板，有金屬部分伸出。把舌頭放在金屬部分上，通電後能明顯感覺到酸味——甜、咸和苦味還在開發當中。電子化的氣味更有難度。感知氣味的嗅球位於鼻腔後部，探查起來會讓人不舒服。凱奧克打算在嘴裡放一塊微型磁力線圈，製造脈衝磁場，產生電流，作用於嗅球。這種裝置可以設計成類似護齒器那樣的東西。

電子味覺技術的突破可能會帶動「電子食品」的開發。屆時，人們將通過互聯網傳播味道。如數字化音樂一樣，人們將使用技術來發明新的味道和全新的食品。

交互性是指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力。用戶進入虛擬環境後，通過各式感測器與信息環境進行交互，用戶進行各種操作，虛擬環境會作出相應的響應，如拿起虛擬環境中的一隻籃球，可以感受到球的重量，球扔在地上還會彈跳等。

3D視覺成像技術能夠讓人看到逼真的立體畫面，但卻留下了「可望而不可即」的遺憾。不久前，日本發布的一項3D觸覺技術則有望在將來讓虛擬現實變得「觸手可及」。 3D觸覺技術通過視覺圖像和戴在指尖的振動裝置協同作用，欺騙人腦的感覺系統，使人產生切實觸摸到虛擬物體的錯覺。在按下虛擬「按鈕」的同時，用戶能感受到真實般的觸感。

目前，研發者已經可以製作出硬幣狀、棒狀、筆狀或其他簡單形狀的外部設備。未來，該項技術有廣泛的用途。例如，植入遊戲控制器中，使玩家在遊戲中作出推、拉、踢、打等動作時，能夠親身感受到來自控制器的實際阻力，強化遊戲體驗。此外，該技術還能在醫療等領域發揮作用，協助醫生進行遠程遙控手術操作，或製作具備輔助導航功能的盲人手杖等。

另外一種交互性的應用，被稱為「強化凝視」。研究表明，在課堂上，如果老師凝視著學生，學生的心跳會加速，能記住更多授課內容。但是，同時與教室中的幾十位同學保持眼神交流是不可能的。現在可以通過虛擬現實技術，將老師的虛擬化身顯示在每個學生的顯示屏上，每個學生都可以與虛擬老師的面孔進行眼神互動交流，覺得老師一直凝視著自己。在過去15年中，美國斯坦福大學虛擬人機交互實驗室對幾百名學習者作過實驗。結果顯示，如果學生認為自己一直是老師目光的焦點，他聽課會更認真，成績也會相應地得到提升。

想像性是指通過用戶沉浸在「真實的」虛擬環境中，與虛擬環境進行各種交互作用，從綜合集成的環境中得到感性和理性的認識，從而可以深化概念，萌發新意，產生認識上的飛躍。因此，虛擬現實不僅是一個用戶與終端的介面，而且可使用戶沉浸在此環境中獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而產生新的構思。這種構思結果輸入到系統中去，系統會將處理後的狀態實時顯示或由感測裝置反饋給用戶。如此反覆，這是一個學習—創造—再學習—再創造的過程。

在電影《星際迷航》（2009）中，太空學校的少年們在虛擬的場景里上課。有了虛擬現實技術，物理老師講到重力時，可以讓學生在虛擬的月球和火星表面跳躍，真切地感受重力加速度與質量的關係。在生物課上，如果學生要了解海底生物之間的關係，老師可以通過虛擬現實創造出一片海洋，讓孩子們在海底暢遊，探索海底生態環境、地質構造及洋流變化等。總之，虛擬現實技術能夠為學生提供生動、逼真的學習環境，如建造人體模型、太空旅行、化合物分子結構顯示等，在廣泛的科目領域提供無限的虛擬體驗，從而鞏固和加速學生學習知識的過程。主動的交互與被動的灌輸有本質的差別，親身去經歷、親身去感受，顯然比空洞抽象的說教更具說服力。利用虛擬現實技術，學校可以建立各種虛擬實驗室，如地理、物理、化學、生物實驗室等，擁有傳統實驗室難以比擬的優勢。

在虛擬現實的「想像性」上投入最多的當屬軍方。美國國防部認為，虛擬現實將在武器系統性能評價、武器操縱訓練及指揮大規模軍事演習三方面發揮重大作用。為此，他們設計了戰爭綜合演示廳計劃、防務模擬交互網路計劃、綜合戰役計劃及虛擬座艙等應用環境，並在核武器實驗及許多局部戰爭中進行了應用。

意想不到的未來

下一代虛擬現實技術不僅能用於家庭娛樂系統，還能廣泛應用於健康科學、金融服務和製造業領域，幫助人們應對慢性疼痛、避免工傷事故、完善退休儲蓄方案等。

斯坦福大學虛擬人機交互實驗室與斯坦福大學的麻醉學系合作，將患有慢性區域性疼痛綜合征的兒童置入虛擬模擬環境中，讓他們的大腦擺脫不愉快的理療和治癒方法。兒童使用「阿凡達」一樣的電腦生成的替身，來完成一些簡單的活動，比如戳氣球，以此轉移他們對身體痛苦信號的注意力。

華盛頓大學的研究人員發明了一種類似的療法，叫作「雪世界」。伴隨著的音樂，病人可以在虛擬模擬環境中專註地向企鵝和乳齒象扔雪球，而不用想著疼痛的傷口和灼熱的療法。研究顯示，這項技術非常有效，大大減少了強力麻醉藥和其他易於使人上癮的止痛藥的需求。

即便是在減少種族歧視這樣比較「軟」的人文社科領域，虛擬現實技術也有妙招。一個人走近一面鏡子，看到鏡中的自己是一名白人男性。這時，突然有人按下按鈕，鏡中的形象變成了一名黑人女性。這種虛擬化身與本體的不一致會給當事人的種族態度造成一定影響。在運用虛擬現實的世界裡，如果你的化身是弱勢群體或殘障人士，你會體會到各種不便，也會更加了解這些人的不易。對這種角色的扮演會提升人們的同理心，而且人們在虛擬世界中更願意幫助別人。

「虛擬宇宙」是尼爾·斯蒂芬森在1992年的科幻小說《雪崩》里發明的名詞，目前正作為虛擬世界的通用名稱而廣為流傳。隨著虛擬現實技術的進一步發展，電腦構造的世界將更加逼真，從而導致人們更有可能過度使用虛擬現實，因此有人對通過虛擬現實技術來逃避現實表現擔心。但是，這種逃避真的有百害而無一利嗎？

其實，沒人能證明優於現實人生的虛擬人生就一定是不好的。如果一個人可以通過沉浸式的虛擬世界來滿足他作為人類的基本需求，誰有權不讓他這麼做呢？

斯坦福大學的心理學家伊萊亞斯博士認為，逃避現實是一種自然機制，雖然很多社會都對逃避現實持消極態度，但其實每個人都在一定程度上逃避現實。虛擬現實的魅力並不在於它能幫助我們完全脫離現實，而是在於它讓我們相信，我們能夠改變現實。從這一角度看，虛擬世界或許能為我們提供審視現實世界的新方法。隨著虛擬現實技術的迅猛發展，它將為我們提供一個充滿無數奇蹟和可能性的平行宇宙。

1984年，威廉·吉布森在其科幻代表作《神經浪遊者》中創造了「賽博空間」一詞。最初，吉布森將賽博空間描述為一種「同感幻覺」，是一個略帶貶義的概念。他認為，西方文化一直存在一種傾向，即精神比物質更重要。吉布森預言，媒體將不斷融合併最終達到淹沒人類的一個閾值點。賽博空間意味著把日常生活排斥在外的一種極端狀況。有了這樣一個空間，人們可以把自己完全包裹在媒體中，再也不用關心真實世界的大事小情。隨著虛擬現實技術和媒體技術的高速發展，這種亦幻亦真的未來彷彿不再遙遠。