虛擬現(xiàn)實的前世今生與未來

苗千

永遠熱鬧的硅谷不缺資金，需要的是概念、炒作和新產(chǎn)品。那么，對于很多人來說，只聽說沒見過的虛擬現(xiàn)實設(shè)備能夠帶給人怎樣的體驗？虛擬現(xiàn)實技術(shù)又可能會怎樣改變?nèi)藗兊纳睿?/p>

虛擬現(xiàn)實又一次成為硅谷的技術(shù)精英們所熱衷的焦點。2016年被認為是虛擬現(xiàn)實爆發(fā)的一年，估計有1200萬套不同款式的虛擬現(xiàn)實設(shè)備被推向了市場。虛擬現(xiàn)實成為硅谷乃至全世界的技術(shù)焦點并非沒有預(yù)兆，2014年大名鼎鼎的社交網(wǎng)絡(luò)公司Facebook收購了虛擬現(xiàn)實技術(shù)公司Oculus，就被很多人認為是虛擬現(xiàn)實熱潮來臨的預(yù)兆。

虛擬現(xiàn)實是一種欺騙人的感官藝術(shù)，在加入了科技成分、迅速與互聯(lián)網(wǎng)融合之后，盡管它的最終形態(tài)還不明朗，卻也已經(jīng)足夠讓人興奮。早在電子技術(shù)出現(xiàn)之前，人類就已經(jīng)開始嘗試虛擬現(xiàn)實，試圖通過欺騙人們的感官（主要是視覺和聽覺）來營造一個虛擬的世界。在這個世界里，并不一定要遵守現(xiàn)實世界的規(guī)則——從這個角度來說，劇場和電影院都可以算是營造虛擬現(xiàn)實的場所。

美國工程師埃德溫·林克（右）站在他發(fā)明的林克飛行模擬器前。左邊是飛行員查爾斯·林德伯格的遺孀安妮

早期的虛擬現(xiàn)實機器與人們的日常生活并沒有太大關(guān)系，更多是被軍方采用為訓(xùn)練設(shè)備。在20世紀20年代，美國工程師埃德溫·林克（Edwin Link）發(fā)明了世界上第一個飛行模擬器，用來訓(xùn)練飛行員。在1957年，一個名為“Sensorama”的多媒體虛擬現(xiàn)實劇院出現(xiàn)了，觀眾們在一個封閉的包廂里坐在可以旋轉(zhuǎn)的椅子上，聞著特殊的氣味觀看立體影像，這種設(shè)備在1962年還成功申請了專利。

到了20世紀60年代，美國Philco公司的工程師們首次發(fā)明了頭戴式的被命名為“Headsight”的虛擬現(xiàn)實設(shè)備，但它并非為大眾所設(shè)計，而是為直升機飛行員所開發(fā)。為了保證飛行安全，他們在直升機底部安裝了攝像頭，讓飛行員在夜間飛行時也可以通過這個設(shè)備看清周圍的環(huán)境。在1968年，美國計算機科學(xué)家、圖靈獎得主伊凡·蘇澤蘭（Ivan Sutherland）發(fā)明了世界上第一款與電腦直接相連的虛擬現(xiàn)實設(shè)備，讓佩戴者可以看到一個虛擬的世界。但是這款設(shè)備太重，被戴在頭上時，甚至還需要一個懸掛設(shè)備來減輕人的負擔。到了20世紀70年代，麻省理工學(xué)院研究的一款交互式多媒體設(shè)備則可以讓用戶產(chǎn)生在虛擬的Aspen小鎮(zhèn)中行走的感覺。

虛擬現(xiàn)實真正進入大眾的視野要到20世紀90年代，一個重要的原因就在于美國電腦科學(xué)家杰倫·拉尼爾（Jaron Lanier）發(fā)明了“虛擬現(xiàn)實”（Virtual Reality）這個詞，并把它與電腦技術(shù)緊密結(jié)合在一起。因此通常人們也認為拉尼爾是人工智能技術(shù)的創(chuàng)始人。這個概念出現(xiàn)之后，在20世紀90年代，從美國開始，第一次虛擬現(xiàn)實的熱潮開始了。工程師們把一系列虛擬現(xiàn)實設(shè)備推向市場，但是當廣告所掀起的熱潮退去，人們發(fā)現(xiàn)這些設(shè)備與其在廣告中所宣傳的效果相去甚遠，又迅速對它失去興趣，這股熱潮又匆匆結(jié)束。

現(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實技術(shù)再一次成為焦點，與20世紀90年代的情形已經(jīng)大不相同。盡管工程師們不愿意過多地使用“虛擬現(xiàn)實”這樣科幻色彩過于濃厚，容易讓人產(chǎn)生過高期待的詞，而寧愿使用聽起來更為低調(diào)的“虛擬環(huán)境”（Virtual Environment），而實際上，在上一輪技術(shù)熱潮中很多還只能處于幻想中的技術(shù)如今已經(jīng)成為現(xiàn)實，這也使最新的虛擬現(xiàn)實設(shè)備的效果遠非之前的任何設(shè)備可以相比——虛擬現(xiàn)實設(shè)備可以說是人類硬件技術(shù)、軟件技術(shù)、半導(dǎo)體工藝、人工智能和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)全面發(fā)展的集中展現(xiàn)。

一切都并非是一蹴而就。更高的分辨率，更快的幀率（每秒鐘看到的畫面幀數(shù)），更好的光學(xué)效果，更短的滯后時間，這一切都是依靠幾十年的技術(shù)積累逐漸實現(xiàn)的。Facebook公司的CEO馬克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）認為，每隔10到15年，就會出現(xiàn)一款新產(chǎn)品徹底顛覆人們的生活：最初是互聯(lián)網(wǎng)的誕生，隨后出現(xiàn)了智能手機與社交網(wǎng)絡(luò)，而每一樣新產(chǎn)品的產(chǎn)生都是建立在之前產(chǎn)品的基礎(chǔ)之上。以此類推，虛擬現(xiàn)實設(shè)備理應(yīng)成為下一代根本改變?nèi)藗兩罘绞降漠a(chǎn)品。

目前所流行的頭戴式虛擬現(xiàn)實設(shè)備要為用戶提供“浸入式”（Immersion）的體驗，即讓用戶完全忘記周圍的真實環(huán)境從而進入到設(shè)備所營造出的虛擬環(huán)境之中，這對于虛擬現(xiàn)實設(shè)備的運算能力是一個極大的考驗。從根本上來說，能夠達到這樣的計算能力是受惠于摩爾定律幾十年來持續(xù)生效所起到的效果。戈登·摩爾（Gordon Moore）在1975年預(yù)測，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔24個月便會增加一倍。正是在過去幾十年以來，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展始終大致遵守著摩爾定律，才使電子設(shè)備的運算能力不斷提升，使人類有能力利用電子技術(shù)制造出足以迷惑感官的視覺與聽覺效果。

目前在可穿戴虛擬現(xiàn)實設(shè)備的市場中，逐漸分化出兩種產(chǎn)品：一種產(chǎn)品需要與專門用于支持虛擬現(xiàn)實設(shè)備的臺式計算機相連，借助臺式計算機進行運算，耗能比較大，而且由于必須與計算機相連，使用這種設(shè)備的用戶行動會受到限制，設(shè)備與計算機的連線也有可能成為安全隱患。而另一種產(chǎn)品則無須與外接設(shè)備相連，自身就可以完成運算。由于電源和尺寸的原因，這類產(chǎn)品的計算能力必然會受到影響，同時還要考慮發(fā)熱等因素對用戶造成的影響——這種產(chǎn)品類型的分化很容易讓人聯(lián)想起20世紀80年代初計算機產(chǎn)業(yè)興起時，計算機架構(gòu)的演進同樣也出現(xiàn)了類似的“耗能大、計算能力強、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜”與“耗能少、計算能力相對較弱、結(jié)構(gòu)始終保持簡單”的兩種研究方向，前者逐漸演變?yōu)楣δ軓姶蟮拇笮陀嬎銠C，而后者則逐漸演變?yōu)楦鞣N可以隨身攜帶的移動通信設(shè)備。

虛擬現(xiàn)實設(shè)備需要做的事比普通計算機更多。要營造出一個虛擬環(huán)境，最重要的就是計算生成看上去真人大小的畫面。虛擬現(xiàn)實設(shè)備產(chǎn)生出虛擬環(huán)境與利用集成開發(fā)環(huán)境（IDE）設(shè)計電腦游戲的背景畫面類似，但是要求更高。因為虛擬畫面在距離用戶眼睛只有幾厘米的屏幕上顯示，像素被放大，因此對于畫面的質(zhì)感、立體感、分辨率和亮度的要求都極高。另外，虛擬畫面還必須隨著用戶身體、頭部和眼球的運動而隨之變化。

在一個虛擬的環(huán)境中，要讓用戶有浸入感，感覺自己也成為虛擬環(huán)境的一部分，這種虛擬與交互被稱為“臨場感”（Telepresence）。想要達到這種程度的體驗，虛擬現(xiàn)實設(shè)備必須同時滿足信息的深度與感官體驗的維度兩方面的要求：圖像的清晰度和復(fù)雜程度，聲音信號的復(fù)雜程度，乃至視覺和聽覺，還有觸覺等各種感官感受的體驗與反饋，都需要滿足人的最低生理需求。

其中最重要的是視覺體驗，人類的視覺系統(tǒng)與負責人自身平衡感和空間感的前庭系統(tǒng)緊密相連。研究表明，人類對于畫面滯后時間（Latency）的容忍極限是50毫秒，如果用戶頭部和眼球運動與所看到的畫面滯后時間超過50毫秒，就可能令用戶產(chǎn)生強烈不適的感覺。因此，所有虛擬現(xiàn)實設(shè)備的滯后時間都必須限制在50毫秒以內(nèi)。畫面的轉(zhuǎn)換也同樣重要，要想讓用戶觀看屏幕產(chǎn)生出身臨其境的感受，就要求虛擬現(xiàn)實設(shè)備屏幕的幀數(shù)足夠，每秒至少呈現(xiàn)25到30幀復(fù)雜、豐富、真實的畫面以保持流暢，這都要求虛擬現(xiàn)實設(shè)備有極強的計算能力。

在2016年上市的虛擬現(xiàn)實設(shè)備中，其中三款產(chǎn)品最吸引人關(guān)注：Oculus Rift，HTC Vive，與微軟推出的HoloLens。前兩者都屬于“虛擬現(xiàn)實”設(shè)備，后者則屬于“增強現(xiàn)實”（Augmented Reality）設(shè)備。Oculus和HTC開發(fā)的虛擬現(xiàn)實設(shè)備，都需要與電腦相連接，主要借助電腦圖形運算能力工作。這些頭戴設(shè)備中都安裝著數(shù)十個傳感器，用來感受用戶頭部哪怕是0.1度的轉(zhuǎn)動，同時這些設(shè)備也都有多個外置攝像頭，隨時探測用戶所處的環(huán)境和用戶動作，從而命令電腦的圖形處理器產(chǎn)生圖像。用戶每走出一步，轉(zhuǎn)動一下頭，哪怕是轉(zhuǎn)動一下眼球，在虛擬世界中也就可以及時產(chǎn)生出相應(yīng)的動作和畫面乃至聲音。

要達到這樣的目標，與其說是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的突破，不如說是在摩爾定律的催動下，計算機的運算速度不斷攀升，硬件的集成度不斷提高，讓很多此前根本無法實現(xiàn)的目標成為現(xiàn)實。以前電腦工程師們?yōu)榱双@得用戶在現(xiàn)實環(huán)境中的位置，不得不首先在周圍尋找到一個參考點，然后通過設(shè)備發(fā)射的超聲波信號或是電磁信號進行探測來完成測距，而現(xiàn)在只要通過頭戴設(shè)備的外置攝像頭獲得的圖像就可以實時完成測距計算。大多虛擬現(xiàn)實設(shè)備的價格相對低廉，Oculus Rift和HTC Vive兩款產(chǎn)品分別只賣到500多美元和700多美元的大眾消費品價位。

與之相比，微軟開發(fā)的增強現(xiàn)實設(shè)備HoloLens，看上去是一款透明的塑料眼鏡，卻無須借助任何外部計算機的計算能力，把一切所需的硬件都集合在了貌不驚人的設(shè)備之內(nèi)，3000美元的售價也顯示了它的與眾不同。HoloLens實際上是把一個全息投影的電腦集合在一個頭戴設(shè)備中，與虛擬現(xiàn)實設(shè)備讓用戶完全沉浸在虛擬的環(huán)境中不同，增強現(xiàn)實的HoloLens相當于把現(xiàn)實場景當作一塊畫布，與現(xiàn)實場景相結(jié)合，在用戶的視野中投射只有用戶能夠感知到的虛擬物體多維度、多色彩的全息景象。

同虛擬現(xiàn)實設(shè)備一樣，HoloLens在內(nèi)部同樣布置了一系列的傳感器，中央處理器（CPU）和圖像處理器（GPU）。微軟宣稱HoloLens的計算能力比一個普通筆記本電腦的計算能力還要強大，它還集成了一個內(nèi)部測量單元，一個感知光線的傳感器，一個用來測量深度的傳感器，4個用來感知周圍環(huán)境的攝像頭。而在內(nèi)部，則應(yīng)用了24核的全息投影處理器（Holo-processor），24個DSP處理器。所有的這些部件總共由超過6500萬個邏輯門組成，而其總功率居然可以保持在10瓦特以下，可以說是現(xiàn)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的代表作。

除了硬件標準的不斷攀升，虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實設(shè)備的再次興起與不斷進化，也離不開人類在軟件領(lǐng)域，尤其是圖形學(xué)領(lǐng)域的進步。虛擬現(xiàn)實設(shè)備的普及，也必定會把人工智能的研究推向一個新的層次。在第一部由計算機利用圖形學(xué)技術(shù)制作的動畫片《玩具總動員》中，所有的角色都只有光滑的表面，而在最近多部由電腦制作的動畫片里，其中的虛擬形象已經(jīng)可以擁有蓬松的毛發(fā)，并可以隨著角色的動作任意擺動。電腦制作的虛擬形象開始擁有越來越細膩的皮膚和復(fù)雜的面部表情，這都是計算機圖形學(xué)的發(fā)展所帶來的成果，而這些技術(shù)也都將被應(yīng)用到虛擬現(xiàn)實技術(shù)之中。

人臉識別、語音識別，這些技術(shù)的發(fā)展也都對虛擬現(xiàn)實設(shè)備與用戶之間的相互交流起到至關(guān)重要的作用。目前虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設(shè)備都只能實現(xiàn)與用戶的簡單交流（例如設(shè)備可以識別出用戶用手指點擊虛擬環(huán)境中的物品），但是更為復(fù)雜的變化，尤其是識別人類面孔，判斷人類的表情，還有進一步識別人類的語音，分析其中的確切含義，并理解人類語言中的隱喻，這些可以應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要功能都要依賴人工智能技術(shù)的進一步發(fā)展。

硅谷的技術(shù)精英與資本急于讓人們相信，虛擬現(xiàn)實設(shè)備將會如家庭電腦和智能手機一樣迅速走進人們的日常生活，并再一次改變?nèi)藗兊纳罘绞?，但是一些問題至今仍然沒有答案。帶給人類新奇感受的虛擬設(shè)備之所以能夠出現(xiàn)，是受益于摩爾定律，讓半導(dǎo)體器件的集合程度不斷增強，電子設(shè)備的運算能力隨之提高，但摩爾定律已經(jīng)開始呈現(xiàn)即將失效的跡象，一旦半導(dǎo)體器件的集成程度達到極限，也就意味著虛擬現(xiàn)實設(shè)備的表現(xiàn)很難再有大幅提升，對人們的吸引力也可能會逐漸消失。摩爾定律的失效也意味著在未來虛擬現(xiàn)實設(shè)備的成本將始終維持在較高的水準之上，而無法再現(xiàn)當年家用電腦價格一降再降最終成為普通家用電器的過程。為了達到虛擬現(xiàn)實設(shè)備對于電腦圖形計算能力的要求，大多數(shù)家用電腦用戶可能都需要升級自己的電腦配置，這些額外的開支也會影響虛擬現(xiàn)實設(shè)備用戶的熱情。

除了廣告宣傳之外，起碼在目前，虛擬現(xiàn)實設(shè)備仍然不是人們?nèi)粘Ｉ畹谋貍洚a(chǎn)品。除了少數(shù)的軍事和醫(yī)療訓(xùn)練應(yīng)用之外，絕大多數(shù)虛擬現(xiàn)實設(shè)備都被應(yīng)用于電腦游戲領(lǐng)域，并沒有解決人們生活中的真正問題。另一方面，長期佩戴虛擬現(xiàn)實設(shè)備對人的視力和其他感官、對人運動能力的影響至今仍然缺乏令人信服的研究成果。人工智能技術(shù)的創(chuàng)始人拉尼爾擔心，開發(fā)虛擬現(xiàn)實設(shè)備耗資巨大，這個巨大的市場很可能最終被幾家巨頭公司所牢牢把握，而虛擬現(xiàn)實設(shè)備需要收集用戶大量的生活數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)如果被商業(yè)公司所掌握，如何利用這些用戶數(shù)據(jù)，也會涉及一些商業(yè)道德問題。

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)再次爆發(fā)的第一年，談?wù)撨@項技術(shù)以及市場的未來難免為時過早，一切才剛剛開始。在接下來的一段時間里，幾家大公司的虛擬現(xiàn)實設(shè)備也會相繼登場，必將帶給人們完全不同的感受，更加激發(fā)人們的想象力，讓我們拭目以待。

（本文寫作參考了Oculus V、HTC和微軟公司在網(wǎng)絡(luò)上公布的相關(guān)信息）