虛擬現實:視覺盛宴背後的革命

　　早在50年前，虛擬現實就已出現，如今它有變革人類視覺體驗之勢。在虛擬現實重構的世界裡，我們不僅有視、聽、觸、嗅等感覺，而且它們將變得愈發真實，與現實世界無異。與虛擬現實相對應的，還有增強現實以及混合現實，它們在改變人類視覺體驗的同時，也在真切地變革我們的生活。我們既可用它們來購物，也可進行模擬駕駛，甚至還可用它來治療疾病。儘管目前虛擬現實技術仍有許多缺陷，但它註定會在不遠的將來影響我們每一個人。本文來自上海交通大學軟體學院教授楊旭波日前在「新民科學咖啡館」活動的分享。

　　早在50多年前，美國電影攝影師莫頓·海利希(Morton Heilig)就發明了一台叫Sensorama的機器，它就像現在的大型遊戲機一樣，當我們把頭放進這台機器里後，不僅會有3D的視覺，還能聞到氣味、聽到聲音。由於海利希以及機器自身的缺陷，例如沒有互動性，僅靠事先做好的畫面播放，因此Sensorama機器當時並沒有得到很好的反響。

　　頭戴顯示器的發展需回溯到上世紀60年代。1968年，擁有美國麻省理工學院博士學位的科學家伊凡·蘇澤蘭(Ivan Sutherland)，在實驗室里做了一個名為達摩克利斯劍的頭戴顯示器，這個顯示器用的是CRT顯示技術，可追蹤頭部的動作，往哪邊看就會有感應，可以實時計算眼睛看到的畫面。不過那時候計算機能力非常差，顯示的像素也非常低。蘇澤蘭當時還寫了一篇很有名的論文「終極顯示」，他設想未來的顯示器應該能夠達到分不清真實與虛擬。當我們戴上這個以後，就會看到另一個世界，在這個虛擬的世界裡，我們的感覺都是真的，有點像《黑客帝國》描述的那樣。但實際上，即使是現在，我們離他的設想還很遠。

　　至於頭戴式顯示器的思想，最早可追溯到1613年，伽利略時代就有一個頭盔望遠鏡的設計，通過這種方式可以看到遠處的東西就在眼前，也有很好的沉浸感。今天的虛擬現實技術頭盔Oculus跟這些早期頭戴顯示設備長得比較像，只是現在非常便宜了，以前這樣的設備非常昂貴，一般人接觸不到。2006年，東芝(Toshiba)公司出了這樣的一個設備，但設計上很失敗，戴上去像怪物一樣。2014年，一個名為Oculus的創新公司，讓虛擬現實重新火熱起來，這並非僅僅因為技術上的革命性突破，還因為其低廉的價格，讓普通民眾僅以300至350美元即可購買到開發版的頭戴顯示器。Facebook花費20億美元收購這家公司，也令人對其刮目相看。

　　三星公司也設計出廉價的頭戴顯示器Gear VR，當把三星手機放到這個盒子裡面就可以用。谷歌的紙盒眼鏡Cardboard則更便宜，我們甚至可以利用谷歌開放的設計圖，買兩個透鏡，用紙板自己動手做。谷歌主要推安卓手機，當手機裝上應用程序後，手機就會分成兩個屏幕，左右兩個眼睛可看到不一樣的畫面，產生立體的效果。當我們轉動的信息被手機的感測器檢測到時，就可以看到互動的效果，但這個比Oculus的舒適度差一些，因為距離難以調節，加上計算能力手機要比PC機差很多，但它仍可獲得較好的沉浸感。

　　虛擬現實技術：在現實中觸碰虛擬世界

　　虛擬現實(Virtual Reality)，簡稱VR，這兩個片語合在一起看似矛盾，一個虛擬一個現實，但都在虛擬現實環境中體現，由計算機生成虛擬世界，人們通過虛擬現實系統進入到這個虛構的世界裡。在這個世界裡，我們可通過視覺、聽覺以及觸覺進行感知，也有人在研究嗅覺和味覺。

　　虛擬現實有如下幾個特點：計算機生成、多通道感知、沉浸感以及想像力。當我們把虛擬現實頭戴顯示器放在眼前，即可進入到另一個世界。儘管一部電影也可能會帶來沉浸感，但是它沒有交互性。而在虛擬現實系統中，這種沉浸感有交互性，當我們頭動一下，即可看到不同的角度的場景。至於想像力方面，應該說這個虛擬的世界是我們構想出來的。它可以是現實世界的複製，比如開會，戴上頭盔之後，我們可能置身於舊金山一個會議室；也可以是想像出來的卡通世界，是你兒時從書本中看過的一個童話世界，現實中它根本不存在。

　　虛擬現實系統主要包括如下幾個方面：首先是內容，它的核心是一個實時計算機圖形和模擬器，然後是用戶界面：一個輸入，一個輸出，這是非常簡單的關係，輸入主要是對應用戶的頭、眼睛、手以及整個身體動作的追蹤，當把這些身體的信息代入到虛擬現實世界裡，身體如何動，系統一旦感知到，就會給予一個相應的反饋。

　　事實上，虛擬現實是多學科結合的領域。從學科角度來說，其核心是計算機圖形和模擬，此外還有計算機軟硬體、圖像與視覺、人工智慧等技術，由於要用到視覺、觸覺、聽覺等多感知通道，還會涉及到光、聲、電、機械等。雖然Oculus已經設計得還算不錯，但戴十幾分鐘，眼睛仍可能會有點難受，還會頭暈。目前，全球頂尖學者都在研究人機工程問題，如何設計得更加舒適，當我們戴上眼鏡後，有人會有大腦被三維虛擬環境控制的感覺，這可能會帶來心理上的衝擊，因此虛擬現實的應用還會涉及到心理學、社會學等問題。

　　虛擬的內容最初一般由建模師通過三維電腦軟體在屏幕上構建出來，例如，從一個簡單的模型開始漸漸構造出複雜的角色模型，在電腦上設計出來之後，再賦予它們動作，最後貼上皮膚的紋理，這樣就造出來一個虛擬的角色形象。還有一種虛擬內容，它不靠人工，而是靠一種特殊的相機——全景相機。這個相機有很多鏡頭，可以把360度的畫面全部拍下來，數據也可以在虛擬現實中展現，這是將來一個重要的應用方向。兩會期間也有一些記者用到了這樣的攝像頭，配上虛擬現實的頭盔，我們可以從各個角度觀看，也可以把數據存下來放給其他的人看。

　　當然頭盔並不是虛擬現實的唯一形式，還有很多其他形式，例如CAVE是通過投影儀構建的，可模擬四面牆或六面牆，每個牆都用立體投影儀投出來，帶上立體眼鏡就很有沉浸感，但造價非常高。1999年，我在浙江大學參與安裝過這樣的一套系統，當時設備耗費約250萬人民幣。還有環幕投影，造價相對低一點，在博物館、展覽館可看到，它應該算半沉浸式，因為整個視野沒有完全被覆蓋，當人轉過去以後，感覺又回到現實世界。

　　接下來是輸入設備方面。輸入設備需要捕捉人的信號，怎麼把人的動作信號帶到虛擬環境里去？最常用的設備是運動捕獲設備，例如這裡的演員做一些動作，通過很多攝像頭拍下來，再把這個動作放到虛擬的角色上去。輸入設備又分兩種：一種是光學運動捕獲設備，相機加上紅外線，人身上有很多發光的點，靠計算機計算能力實時算出動作，但它有一個缺點就是容易被遮擋；另一個是慣性感測設備，用戶身上裝了很多，手動一下就有一個慣性數據，可以算出角度。還有臉部動作捕獲，電影里會經常使用，以前是在臉上加很多點，但現在技術發展了很多，不用在臉上鋪點，而是直接用計算機視覺的演算法來算，目前已經可做到實時。

　　除了臉部模擬以外，還有一種數據手套，當戴上這個特殊的手套後，手活動時每個關節角度，可被手套感知到，如模擬手握杯子，通過一個力反饋設備給手部一個反饋力量，雖然沒有杯子，但通過設備施加的外力，我們可以感覺到拿了一個杯子樣的東西。目前這一領域仍有很多技術難點沒有突破。

　　總結一下，虛擬現實的本質是一種新的計算平台、一種新的通訊平台和交互界面。從計算機發展來看，最早是大型機，一個計算機佔據整個房子。彼時人是渺小的，人需要適應計算機，後來個人電腦出現的時候，人類將電腦變得越來越小，等到手機出現的時候，我們可以隨時進行計算。虛擬現實應該是下一個新的計算平台，不再是你感覺跟計算機的世界隔著個屏幕，而是以後你感覺計算機構造的世界跟現實世界相互融合，儘管目前還是通過屏幕的方式展現，以後就可能分不清在哪個世界裡，這是一個發展趨勢，計算機將逐漸適應人的習慣。

　　增強現實：一個同樣令人驚艷的技術

　　有關虛擬現實和增強現實(Augmented Reality，AR)之間的關係，很多人可能並不能準確地區分它們，另外還有一個叫混合現實。混合現實是一個從真實世界到虛擬世界的過渡， 包含了虛擬現實和增強現實。增強現實已有很多代表性的產業發展，如谷歌眼鏡，但它不太成功。微軟也剛推出了增強現實眼鏡產品Hololens，賣得比較貴，大概3000美金，它們有一個共同的特點，就是半透明的，因為我們仍需要看到真實的現實情景，而以Oculus為代表的虛擬現實眼鏡前面則是不透光的，別人看不到你的眼睛，你也看不到周圍的東西，這是它們之間主要區別所在，但未來增強現實應用面更廣。

　　例如，當我們對著鏡子穿衣服時，可通過增強現實讓自己換上一件別的衣服或裙子，或合適的款式，這就是所謂的虛擬試衣。它還可應用於遠程會議，當戴上增強現實的眼鏡之後，我們可看到虛構的桌子以及從遠處傳過來的參會者影像，儘管它們置身於不同的空間，但此刻如同在同一個環境下討論問題。最近，微軟推出一個視頻，通過增強現實眼鏡，即使你的孩子不在身邊，在增強現實的情景里，他(她)可被置身於同一個房間，讓你感覺到小孩就在跟前。不過這方面現在做不到這麼好，有一些概念性的成分，還有很多缺陷。增強現實還可用於汽車導航，如果我們看導航信息，需低頭看汽車面板，這樣可能會分心。利用增強現實技術，導航的信息直接顯示在擋風玻璃上，這樣就可以看到路面信息。

　　虛擬現實的應用：未來前景無限

　　虛擬現實除了可用於影視遊戲等娛樂應用之外，在其他非娛樂的應用領域也前景廣闊。虛擬現實同樣也可用於虛擬試衣，這是阿里巴巴的「Buy+」計劃，今年3月剛推出概念，戴上虛擬現實的眼鏡之後，人們可通過虛擬模特身上的衣服來進行選擇和購買。很多汽車公司也開始利用虛擬現實眼鏡進行模擬駕駛，讓用戶體驗開車時的感受，但不能真的開到路上。此外，還可做虛擬旅遊，戴上眼鏡後，可體驗以前從未去過的地方，身臨其境。此外，還可以虛擬看房或設計房子，我們可事先讓設計師設計一個虛擬圖景，通過體驗，我們還可以糾正需要改造的地方。

　　日常生活體驗可對我們的大腦有影響，同樣虛擬的體驗也能影響大腦，因此虛擬現實還可用於心理治療，很多有抑鬱症的人，通過虛擬現實技術輔助治療可以得到一些改善。對於社交恐懼症患者來說，他們平時不敢對很多人說話，在虛擬的世界，你知道這是假的，心理會放鬆防線，更容易跟其他人交流，從而逐漸提高社交能力。再比如，有很多人害怕蜘蛛，通過虛擬現實模擬，蜘蛛「近」在眼前，儘管你很難抗拒潛意識中的害怕，但是可以通過這種方式逐漸「脫敏」。恐高症同樣可通過虛擬現實得到緩解。

　　心理學家還用虛擬現實來進行其他治療，例如燒傷患者非常痛苦，尤其是給他換藥的時候，如果有醫生把虛擬現實技術用到他們身上，讓他戴上一個頭盔，看到一個冰涼的世界，大腦相應做出反應，疼痛感會減弱。在美國911恐怖襲擊之後，很多人心理創傷很大，通過虛擬現實技術，把患者帶回到當時的環境，這也是一個類似於「脫敏」的治療，從而使患者心理上得到疏解，目前證明可以起到比較明顯的效果。此外還有對自閉症患者的治療，他們不願跟人交流，難以親近，通過虛擬現實技術，讓他們在虛擬的世界裡玩遊戲，並逐漸接受自己在其中的角色，然後鍛煉跟人交往的技巧。研究發現治療前後患者大腦的活躍度有明顯改善，這說明虛擬現實起到了良好的作用。

　　在醫療方面，虛擬現實還可用來訓練醫生。當前醫生培訓代價比較高，既缺少設備，同時人又非常多，我們可以通過虛擬現實設備，幫助醫生練習手術。例如，在虛擬的世界裡，連接力反饋的設備可模仿一個手術刀，當手術刀碰到虛擬器官之後，會有一個力反饋，也會模擬器官的形變，通過這種方式醫生可以得到手術技能的鍛煉。

　　對於學習和教育來說，虛擬現實也是非常有幫助的。通常來說，小孩對形象直觀的東西容易接受，通過虛擬現實技術，把一些比較抽象的東西，以直觀方式表現出來，這樣可提高他們的記憶能力和學習動機，通過這種方式他們既願意學習，又覺得很好玩，此外也可以增強小孩子間的合作。

　　總的來說，虛擬現實已經誕生50多年，由於以前成本太高，它最近才剛剛走近大眾。虛擬現實、增強現實它們之間相關，又各有特點，但核心都是以實時計算機圖形為主，應用也在不斷拓廣。通過與互聯網、機器人、人工智慧以及大數據進一步結合，虛擬現實的未來應用會更廣泛。(演講 | 楊旭波(上海交通大學軟體學院教授) 整理 | 葉水送)