虛擬現(xiàn)實(shí)：亦幻亦真的未來

趙洋

現(xiàn)實(shí)扭曲力場(chǎng)

現(xiàn)在輪到你進(jìn)入太空了?？酆妙^盔，你發(fā)現(xiàn)自己置身于氣閘艙中。身體輕輕地向前飄動(dòng)，氣閘艙門無聲地滑開，前方是一間無重力絕塵室?？祜h到天花板時(shí)，你下意識(shí)地低了低頭，面罩外，你的雙手緩緩撐住天花板作為緩沖。又以游泳的姿勢(shì)穿過幾個(gè)房間后，你終于置身于太空中了。沒有地板，沒有墻壁，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(gè)荒廢的太空站飄浮的殘片。

有那么一刻，你感到一陣驚慌失措，擔(dān)心自己會(huì)失去控制進(jìn)入永恒的黑暗。好在你不用為了生存而慌亂地尋找氧氣，你的生命并未受到真正的威脅。這種緊張氣氛大多是幻覺的產(chǎn)物。根源在頭盔上，那并不是航天服上的頭盔，而是Oculus Rift虛擬現(xiàn)實(shí)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(xiǎn)游戲的用戶。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早以“沉浸式電腦顯示”的面貌出現(xiàn)，該設(shè)想可追溯到20世紀(jì)60年代初。當(dāng)時(shí)，美國攝影師莫頓·海利希創(chuàng)造了“拱廊體驗(yàn)”，利用電影技術(shù)給觀眾營造了游覽曼哈頓的想象之旅。他創(chuàng)造性地給座椅及扶手添加振動(dòng)功能，讓觀眾經(jīng)歷了一次妙趣橫生的三維旅行——當(dāng)觀眾在車流中改變速度時(shí)，甚至風(fēng)速也跟著改變。為進(jìn)一步增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)感，汽車釋放的煙霧及路邊比薩店的氣味也會(huì)適時(shí)地釋放出來。這是第一次成功地創(chuàng)造了一種被動(dòng)式的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。1962年，莫頓·海利希為“體驗(yàn)劇場(chǎng)”的傳感刺激器申請(qǐng)了專利，他也因此贏得了“虛擬現(xiàn)實(shí)之父”的美譽(yù)。

在1965年的計(jì)算機(jī)圖形處理研討會(huì)上，時(shí)任美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署信息處處長(zhǎng)的伊凡·蘇澤蘭作了題為《終極顯示》的報(bào)告，提出用頭盔顯示裝置觀看計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬圖像，從計(jì)算機(jī)顯示和人機(jī)交互的角度提出了模擬現(xiàn)實(shí)世界的思想。這個(gè)報(bào)告提出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基本方案，因此被認(rèn)為是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的里程碑。1968年，蘇澤蘭發(fā)明了名為“達(dá)摩克利斯之劍”的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔設(shè)備，讓虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備具有了一定的便攜性。此后，他的研究得到了美國軍方的贊助，人機(jī)交互技術(shù)開始被用于航天員的操作訓(xùn)練上。

20世紀(jì)80年代，個(gè)人電腦的興起引發(fā)了人們對(duì)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(xiàn)實(shí)。雖然書籍熱銷、票房大賣，但實(shí)際產(chǎn)品仍不見蹤影。直到90年代，才出現(xiàn)了一些面向大眾的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，如1991年，英國有一款名為“虛擬世界1000CS”的頭戴式設(shè)備，極其笨重，人們戴著它就像罩著一臺(tái)真空吸塵器一樣。90年代初，孩之寶公司花費(fèi)5900萬美元和三年多的時(shí)間開發(fā)了名為“家庭虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)”的控制臺(tái)和頭盔，后因市場(chǎng)反應(yīng)不佳，不得不放棄這一項(xiàng)目。更多的時(shí)候，虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品會(huì)因技術(shù)問題而失敗。1996年，任天堂推出180美元的視頻游戲機(jī)Virtual Boy，但消費(fèi)者認(rèn)為三維圖形效果索然無味，虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔只顯示單調(diào)的紅色，且分辨率低，目鏡震動(dòng)，用起來讓人頭暈?zāi)垦?、腰酸背痛，最終Virtual Boy只賣出不到80萬套。

過去幾十年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)停滯不前的原因主要是計(jì)算、顯示和追蹤能力達(dá)不到要求。虛擬現(xiàn)實(shí)是計(jì)算資源密集型技術(shù)，家用電腦、手機(jī)和游戲機(jī)完全無法應(yīng)對(duì)，導(dǎo)致這項(xiàng)技術(shù)不夠輕便。而且，由于缺乏高分辨率顯示技術(shù)和精準(zhǔn)的頭戴式追蹤設(shè)備，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)難以創(chuàng)造栩栩如生的虛擬體驗(yàn)。

不過，近年來隨著高性能微處理器的突破，移動(dòng)寬帶技術(shù)的爆炸式發(fā)展和移動(dòng)傳感技術(shù)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在大踏步前進(jìn)，硬件設(shè)備的重量越來越輕，效果越來越逼真，造價(jià)也更便宜。從軟件角度而言，家用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備已跨過了轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

2012年，虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔設(shè)備Oculus Rift通過眾籌網(wǎng)站融資240萬美元。一年以后，F(xiàn)acebook就以23億美元巨資收購了開發(fā)該頭盔的公司。除了電子游戲公司爭(zhēng)相與其合作，其他產(chǎn)業(yè)也迅速跟進(jìn)：電影《零點(diǎn)》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(duì)“酷玩”不久前發(fā)布了現(xiàn)場(chǎng)演出的虛擬現(xiàn)實(shí)版；一家公司在橄欖球傳奇教練Mike Ditka的支持下啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)員虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練項(xiàng)目；福特的汽車工程師利用Rift檢驗(yàn)新車設(shè)計(jì)的3D模型；萬豪酒店推出了虛擬現(xiàn)實(shí)電話亭，潛在客戶足不出戶便可體驗(yàn)環(huán)球之旅；美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署在防止網(wǎng)絡(luò)攻擊的網(wǎng)絡(luò)可視化工具中利用Rift頭盔?？傊?，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在軍事訓(xùn)練、醫(yī)療保健、在線教育等眾多領(lǐng)域一顯身手，但最直接的當(dāng)屬價(jià)值千億美元的游戲產(chǎn)業(yè)，玩家們十分樂意以新奇的方式體驗(yàn)游戲。

虛擬現(xiàn)實(shí)三原則

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種多通道的人機(jī)交互接口，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(jì)算機(jī)模擬的虛擬世界，也可以通過移動(dòng)、語音、表情、手勢(shì)及視線等最自然的方式和虛擬世界交互，從而產(chǎn)生身臨其境的體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有三大原則性特征：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計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，產(chǎn)生身臨其境的感覺。使用者所見、所聽、所聞、所觸完全與真實(shí)環(huán)境中感受的一樣，這是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心特征。

沉浸感源自傳統(tǒng)的全景畫藝術(shù)，全景畫是最早的沉浸式作品。目前的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)，也是依照全景畫的理念進(jìn)行的。以體育比賽轉(zhuǎn)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(chǎng)內(nèi)的觀眾那樣輕松地切換視野。在電視直播的特寫鏡頭里，中鋒帶球過人，向著球門長(zhǎng)驅(qū)直入，可幾秒鐘后，一個(gè)后衛(wèi)隊(duì)員闖進(jìn)鏡頭活生生把球攔下。電視觀眾由于視角所限，往往會(huì)詫異這個(gè)后衛(wèi)是從哪兒冒出來的，但現(xiàn)場(chǎng)觀眾由于眼觀全局，完全不會(huì)有這樣的困惑。借助全景化的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，觀看體育比賽轉(zhuǎn)播會(huì)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，視覺只占全部信息來源的80%。傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)一般只提供視覺模擬，沉浸感較弱，可以很容易分辨現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境。這就要用到多感知技術(shù)，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(yùn)動(dòng)感知等。在理想狀況下，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)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(huán)境中。

目前，已經(jīng)有人在研究欺騙味覺和嗅覺的方法，如一個(gè)日本團(tuán)隊(duì)使用芳香擴(kuò)散器來提升虛擬體驗(yàn)中的嗅覺，將芳香油變成怡人的香味。這種體驗(yàn)不久后能在一款美食虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中重現(xiàn)。據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)將啤酒味、肉湯味、香料味和水果味的液體制成氣霧已經(jīng)獲得成功，眼下他們正在實(shí)驗(yàn)用營養(yǎng)酵母和香菇粉來讓仿制牛排，重現(xiàn)真牛排的風(fēng)味和鮮味。

倫敦城市大學(xué)的普適計(jì)算教授阿德里安·凱奧克更進(jìn)一步，他希望能夠擺脫化學(xué)手段，通過電子或磁性信號(hào)來刺激嗅覺和味覺。凱奧克制作了一種原型，通過電子方式在人腦中制造人工味覺。這是一塊簡(jiǎn)陋的電路板，有金屬部分伸出。把舌頭放在金屬部分上，通電后能明顯感覺到酸味——甜、咸和苦味還在開發(fā)當(dāng)中。電子化的氣味更有難度。感知?dú)馕兜男崆蛭挥诒乔缓蟛浚讲槠饋頃?huì)讓人不舒服。凱奧克打算在嘴里放一塊微型磁力線圈，制造脈沖磁場(chǎng)，產(chǎn)生電流，作用于嗅球。這種裝置可以設(shè)計(jì)成類似護(hù)齒器那樣的東西。

電子味覺技術(shù)的突破可能會(huì)帶動(dòng)“電子食品”的開發(fā)。屆時(shí)，人們將通過互聯(lián)網(wǎng)傳播味道。如數(shù)字化音樂一樣，人們將使用技術(shù)來發(fā)明新的味道和全新的食品。

交互性 是指用戶與虛擬場(chǎng)景中各種對(duì)象相互作用的能力。用戶進(jìn)入虛擬環(huán)境后，通過各式傳感器與信息環(huán)境進(jìn)行交互，用戶進(jìn)行各種操作，虛擬環(huán)境會(huì)作出相應(yīng)的響應(yīng)，如拿起虛擬環(huán)境中的一只籃球，可以感受到球的重量，球扔在地上還會(huì)彈跳等。

3D視覺成像技術(shù)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(fā)布的一項(xiàng)3D觸覺技術(shù)則有望在將來讓虛擬現(xiàn)實(shí)變得“觸手可及”。 3D觸覺技術(shù)通過視覺圖像和戴在指尖的振動(dòng)裝置協(xié)同作用，欺騙人腦的感覺系統(tǒng)，使人產(chǎn)生切實(shí)觸摸到虛擬物體的錯(cuò)覺。在按下虛擬“按鈕”的同時(shí)，用戶能感受到真實(shí)般的觸感。

目前，研發(fā)者已經(jīng)可以制作出硬幣狀、棒狀、筆狀或其他簡(jiǎn)單形狀的外部設(shè)備。未來，該項(xiàng)技術(shù)有廣泛的用途。例如，植入游戲控制器中，使玩家在游戲中作出推、拉、踢、打等動(dòng)作時(shí)，能夠親身感受到來自控制器的實(shí)際阻力，強(qiáng)化游戲體驗(yàn)。此外，該技術(shù)還能在醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮作用，協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控手術(shù)操作，或制作具備輔助導(dǎo)航功能的盲人手杖等。

另外一種交互性的應(yīng)用，被稱為“強(qiáng)化凝視”。研究表明，在課堂上，如果老師凝視著學(xué)生，學(xué)生的心跳會(huì)加速，能記住更多授課內(nèi)容。但是，同時(shí)與教室中的幾十位同學(xué)保持眼神交流是不可能的?，F(xiàn)在可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將老師的虛擬化身顯示在每個(gè)學(xué)生的顯示屏上，每個(gè)學(xué)生都可以與虛擬老師的面孔進(jìn)行眼神互動(dòng)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(xué)虛擬人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)室對(duì)幾百名學(xué)習(xí)者作過實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，如果學(xué)生認(rèn)為自己一直是老師目光的焦點(diǎn)，他聽課會(huì)更認(rèn)真，成績(jī)也會(huì)相應(yīng)地得到提升。

想象性 是指通過用戶沉浸在“真實(shí)的”虛擬環(huán)境中，與虛擬環(huán)境進(jìn)行各種交互作用，從綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識(shí)，從而可以深化概念，萌發(fā)新意，產(chǎn)生認(rèn)識(shí)上的飛躍。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是一個(gè)用戶與終端的接口，而且可使用戶沉浸在此環(huán)境中獲取新的知識(shí)，提高感性和理性認(rèn)識(shí)，從而產(chǎn)生新的構(gòu)思。這種構(gòu)思結(jié)果輸入到系統(tǒng)中去，系統(tǒng)會(huì)將處理后的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示或由傳感裝置反饋給用戶。如此反復(fù)，這是一個(gè)學(xué)習(xí)—?jiǎng)?chuàng)造—再學(xué)習(xí)—再創(chuàng)造的過程。

在電影《星際迷航》（2009）中，太空學(xué)校的少年們?cè)谔摂M的場(chǎng)景里上課。有了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，物理老師講到重力時(shí)，可以讓學(xué)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(zhì)量的關(guān)系。在生物課上，如果學(xué)生要了解海底生物之間的關(guān)系，老師可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)造出一片海洋，讓孩子們?cè)诤５讜秤危剿骱５咨鷳B(tài)環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造及洋流變化等?？傊?，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，如建造人體模型、太空旅行、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等，在廣泛的科目領(lǐng)域提供無限的虛擬體驗(yàn)，從而鞏固和加速學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過程。主動(dòng)的交互與被動(dòng)的灌輸有本質(zhì)的差別，親身去經(jīng)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(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)?？梢越⒏鞣N虛擬實(shí)驗(yàn)室，如地理、物理、化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)室等，擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以比擬的優(yōu)勢(shì)。

在虛擬現(xiàn)實(shí)的“想象性”上投入最多的當(dāng)屬軍方。美國國防部認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實(shí)將在武器系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)、武器操縱訓(xùn)練及指揮大規(guī)模軍事演習(xí)三方面發(fā)揮重大作用。為此，他們?cè)O(shè)計(jì)了戰(zhàn)爭(zhēng)綜合演示廳計(jì)劃、防務(wù)仿真交互網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃、綜合戰(zhàn)役計(jì)劃及虛擬座艙等應(yīng)用環(huán)境，并在核武器實(shí)驗(yàn)及許多局部戰(zhàn)爭(zhēng)中進(jìn)行了應(yīng)用。

意想不到的未來

下一代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅能用于家庭娛樂系統(tǒng)，還能廣泛應(yīng)用于健康科學(xué)、金融服務(wù)和制造業(yè)領(lǐng)域，幫助人們應(yīng)對(duì)慢性疼痛、避免工傷事故、完善退休儲(chǔ)蓄方案等。

斯坦福大學(xué)虛擬人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)室與斯坦福大學(xué)的麻醉學(xué)系合作，將患有慢性區(qū)域性疼痛綜合征的兒童置入虛擬仿真環(huán)境中，讓他們的大腦擺脫不愉快的理療和治愈方法。兒童使用“阿凡達(dá)”一樣的電腦生成的替身，來完成一些簡(jiǎn)單的活動(dòng)，比如戳氣球，以此轉(zhuǎn)移他們對(duì)身體痛苦信號(hào)的注意力。

華盛頓大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種類似的療法，叫作“雪世界”。伴隨著的音樂，病人可以在虛擬仿真環(huán)境中專注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(xiàng)技術(shù)非常有效，大大減少了強(qiáng)力麻醉藥和其他易于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(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也有妙招。一個(gè)人走近一面鏡子，看到鏡中的自己是一名白人男性。這時(shí)，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(huì)給當(dāng)事人的種族態(tài)度造成一定影響。在運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)的世界里，如果你的化身是弱勢(shì)群體或殘障人士，你會(huì)體會(huì)到各種不便，也會(huì)更加了解這些人的不易。對(duì)這種角色的扮演會(huì)提升人們的同理心，而且人們?cè)谔摂M世界中更愿意幫助別人。

“虛擬宇宙”是尼爾·斯蒂芬森在1992年的科幻小說《雪崩》里發(fā)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(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電腦構(gòu)造的世界將更加逼真，從而導(dǎo)致人們更有可能過度使用虛擬現(xiàn)實(shí)，因此有人對(duì)通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來逃避現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)擔(dān)心。但是，這種逃避真的有百害而無一利嗎？

其實(shí)，沒人能證明優(yōu)于現(xiàn)實(shí)人生的虛擬人生就一定是不好的。如果一個(gè)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(quán)不讓他這么做呢？

斯坦福大學(xué)的心理學(xué)家伊萊亞斯博士認(rèn)為，逃避現(xiàn)實(shí)是一種自然機(jī)制，雖然很多社會(huì)都對(duì)逃避現(xiàn)實(shí)持消極態(tài)度，但其實(shí)每個(gè)人都在一定程度上逃避現(xiàn)實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)的魅力并不在于它能幫助我們完全脫離現(xiàn)實(shí)，而是在于它讓我們相信，我們能夠改變現(xiàn)實(shí)。從這一角度看，虛擬世界或許能為我們提供審視現(xiàn)實(shí)世界的新方法。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，它將為我們提供一個(gè)充滿無數(shù)奇跡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(jīng)浪游者》中創(chuàng)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(gè)略帶貶義的概念。他認(rèn)為，西方文化一直存在一種傾向，即精神比物質(zhì)更重要。吉布森預(yù)言，媒體將不斷融合并最終達(dá)到淹沒人類的一個(gè)閾值點(diǎn)。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(gè)空間，人們可以把自己完全包裹在媒體中，再也不用關(guān)心真實(shí)世界的大事小情。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和媒體技術(shù)的高速發(fā)展，這種亦幻亦真的未來仿佛不再遙遠(yuǎn)。

【責(zé)任編輯：楊 楓】