第一节 VR技术的发展历程

在拥有Virtual Reality这一公认的技术名字之前，虚拟现实技术在理论发展与应用实践方面均已有相当的积累，但其最初的形态更趋近于一种异想天开的产物，初创原型存有多个带有臆测色彩的版本。

早在古希腊时代，哲学家柏拉图在其《理想国》第七卷中设想了一种“洞穴”囚徒的情境，颇具虚拟现实的意味（见图1-1）。一群囚犯被关押在洞穴底部，周身被铁链牢牢锁住，头部亦不得转动。在其身后生起火堆，火与囚犯之间设有一堵矮墙，墙后不断有人举着各种雕像行走，火光将雕像的影像投射至囚徒面对的洞壁上。长此以往，囚徒自然而然地认可了这种投射影像的真实存在，进而将投影与客观现实等同起来。如果某囚犯获得释放，得以自由地看清洞穴全貌，乃至走出洞穴，初试阳光的照耀，他的双眼会感到苦痛、内心会产生困惑，之前所建构的影像真实论会令他对真正的世界产生巨大的质疑与不解。但随着时间的推移、观察的累积，他开始适应“洞穴”之外的新环境，对于何为真实、何为投影，做出二次判断，从而重新建构自身的认知观。

全景绘画是人类试图展现虚拟现实而采用的最为直观的艺术手段。全景绘画常以环绕状态的壁画的形式呈现，画面覆盖空间的整个墙面，以场景与时空的交错拼接来完成画幅的组合，实现情节的绵连。

观者可以定点，或是游走于空间之中，以置身于画中的方式进行欣赏与解读。从题材内容上看，全景绘画大都涉及历史纪事、神话传说、英雄列传、战争史诗及宗教故事等。这种艺术实践在东西方绘画史中都留有浓墨重彩的一笔，如敦煌石窟壁画、北宋张择端之《清明上河图》、欧洲文艺复兴时期的教堂穹顶画（见图1-2）等，不胜枚举。

在过往的研究中，不少学者对于柏拉图的“洞穴”比喻，由政治、认知、教育等诸多角度展开了思考与讨论，其内涵之丰富足以长篇累论，但柏拉图在此比喻中所论及的由感知所营造的理念世界与现实世界之间的关系，在哲学领域具有相当的启发性。无论是“洞穴”情境，还是全景绘画，上述两说所体现的视觉蒙蔽性，以及感官知觉所联结的大脑幻象性，的确与当下的虚拟现实概念能够产生内核的共鸣。

对于虚拟现实更为细节的描述或称构想，可以在文学中寻到踪迹。英国作家阿道司·赫胥黎（Aldous Leonard Huxley）于1932年在其代表作《美丽新世界》（Brave New World）中，刻画了一幅26世纪的时代图景：在高度发达的机械文明中，生老病死成为过去式，一切物欲可以得到满足。虽说此书作为反乌托邦文学的经典之作，旨在批判科技泛滥带来的人类情感崩塌、人性丧失，但书中一些对于机械文明的想象着实具有前瞻性，有的已经成为现实：诸如一种头戴式电影放映设备，能够提供视觉、听觉，乃至嗅觉的观影体验，使得观者深度沉浸其中。

1935年，美国科幻小说家斯坦利·温鲍姆（Stanley Grauman Weinbaum）在《皮格马利翁的眼镜》（Pygmalion's Spectacles）一书开篇便提出质问：“什么才是现实？所有的都是梦，都是幻想；我是你的幻象，正如你是我的。”

作家借精灵族教授阿尔伯特·路德维希（Albert Ludwig）之手“发明”了一种电影眼镜，戴上眼镜可进入这般电影世界（见图1-3）：

一部电影可以带给我们画面与声音。假设我能够为电影加上味道、气味，甚至触觉；假设你身处故事中，能够与影子说话，而影子也会做出回应。那么，这部电影就不再仅仅存在于银幕上，这个故事是关于你，因你而生。这样真实与梦境又有什么区别？

看到、听到、尝到、闻到甚至触到周遭事物，并且能够进入剧情之中，与其他角色展开交流，观者成为故事的中心，这种似梦似真的场景无疑是今日VR电影的诉求，而书中的眼镜无疑预言着今日铺天盖地的VR眼镜。

1938年，法国剧作家安托南·阿尔托（Antonin Artaud）在《戏剧及其重影》（The Theatre and its Double）一书中，归结出了虚拟现实（La réalité virtuelle）的概念：“对于艾瑞克·戴维斯而言，虚拟现实中的角色、物品以及影像都带有炼金术士的异象之梦中的变幻不定的幻力。”

在上述描述中，不难看出阿尔托所强调的虚拟现实指向了人与物在戏剧情节中虚构的、幻想的影像，这些影像与现实或交叠，或呼应，或反差，引领观者在赏剧过程中沉浸于虚幻的境界，观者因而不再是事不关己、冷眼相看的旁观者，而是进入剧中。虽说阿尔托是在戏剧范畴内提出虚拟现实的概念，但其对于幻象属性的提炼却是准确而通用的。

上述文本中种种预言式的描述，其实在同时期的科技世界亦可寻得端倪。

1929年美国发明家艾德温·阿尔伯特·林克（Edwin Albert Link）为了降低学习飞行的费用，“构建了一种带有飞行座舱与控制系统的模拟飞行设备，可以带来飞行的动态感受”。他将此模拟设备命名为“飞行员制造者”，并组建了Link Aeronautical Corporation用于批量生产。可惜这一超前的发明，最初并未获得航空界的认可，反而受到了游乐园的青睐，成为游客的玩物。林克毅然自设飞行培训学校，并逐步获得成功，终于在1934年获得军方的订单。“二战”期间，林克进一步推出了名为“蓝盒子”的飞行模拟器（见图1-4），训练了近50万空军士兵。

“蓝盒子”是模拟物理现实与人机互动的成功尝试，随着控制技术的不断成熟，应用于各领域的模拟器在之后的几十年里纷纷呱呱落地，成为今天VR设备的先驱。总的来说，整个发展历程大致可以分为以下五个阶段。

一、1950—1980年

进入20世纪50年代，虚拟现实技术迎来第一次发展高潮，进入了原型机阶段。

1955年，美国摄影师莫顿·伦纳德·海利格（Morton Leonard Heilig）在其论文《未来的电影》（The Cinema of the Future）中，提出了多体感剧院的设想，这个设想在其1962年的发明Sensorama中得到了彻底的贯彻（见图1-5）。这台巨大的电影放映机可以“提供宽视角的立体三维影像、身体运动以及立体声，在电影放映过程中，甚至可以触发气流与气味的释放”。

即便在今天看来，Sensorama的设计理念都显得毫不过时，在视觉、听觉以外，挖掘综合体感的互动，以达到充分沉浸于虚拟现实的效果，依然是当下VR技术力求突破的重点。

1965年，计算机图形学之父、美国科学家伊凡·爱德华·苏泽兰（Ivan Edward Sutherland）在其论文《终极显示》（The Ultimate Display）中，便将终极显示定义为一种模糊了虚拟与现实间界限的技术指标与体验情景，且看文末的畅想：

终极显示应该是这样的场景：一个房间中，计算机可以控制物质的存在，所显示的椅子可以安坐，所显示的手铐可以禁锢人，所显示的子弹足以致命。在合适的程序设计下，这样一个终极显示无疑是爱丽丝所游历的奇幻世界。

以爱丽丝梦游仙境来比拟终极显示，体现的是由现实进入、认可、游历虚拟世界的过程，强调的正是虚实一体，其背后的技术支撑便是能由计算机控制物质的存在性显示。这种存在性显示包括相当丰富的内涵，苏泽兰在文中重点阐述了人机互动的形式与功能。除了操纵杆与操纵钮等常规人工输入设备外，文中对于多体感互动进行了系统的技术发展规划：

如果显示的任务在于以眼镜的形式，展现由计算机构建的数字幻境，那么它应该提供尽可能多的感觉官能。就我所知，还未有提供气味与味道的计算机显示，我想为你展望一下运动感知显示。计算机可以轻易地感知到几乎我们所有肌肉的位置，而目前只有手部及手臂被用于计算机控制。同时，我们眼睛的敏捷度亦非常高，感知并解释眼部运动数据的机械可以且将被制造出来，这样我们将能够通过看的方式来控制计算机。

上述段落中“运动感知显示”（kinesthetic display）描绘出了一幅大图景。Kinesthetic一词狭义上指运动感知，但也经常用于描述整合了本体感受与前庭系统输入的大脑感知。在苏泽兰提出的设想中，借用了后者更为宽泛的概念，将肌肉运动与神经刺激均纳入考虑范畴之中，从而囊括了：视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉，以及基于眼球和全身肌肉的运动捕捉与反馈。相较海利格的构想，苏泽兰以深刻的洞察力与丰富的想象力，更为完整地刻画了虚拟现实技术的核心蓝图。

1966年，以苏泽兰为代表的研发力量开始攻克头盔式显示设备（HMD, Head Mounted Display），并着力将感知反馈系统嵌入设备之中。1968年，苏泽兰与学生鲍勃·斯普劳尔（Bob Sproull）研制出了世界上第一部虚拟现实HMD，成功实现了头部运动跟踪，但由于设备整体过于笨重，唯有悬吊于天花板之上（见图1-6），因而被戏称为“达摩克利斯之剑”（The Sword of Damocles）。

由于当时计算机低下的图形处理能力，“达摩克利斯之剑”所显示的虚拟环境仅仅为线框式的房间结构，但却是苏泽兰论文的实践雏形，这略显原始的实验，其意义无疑是里程碑式的。“它的诞生也为VR技术的理论实践阶段画上一个圆满的句号，自此开始，虚拟现实技术开始逐步进入市场应用阶段。”

二、1980—1990年

这是虚拟现实技术加速积累，且市场应用大步迈进的时期。这种市场应用的就绪与节奏加快，大大得益于20世纪80年代计算机技术和网络技术的迅猛发展，不过由于当时虚拟现实系统的高昂造价，这种应用开启于军事领域。几个重要的案例包括：

1980年代中期由美国Defense Advanced Research Projects Agency （DARPA）主推的SIMulation NETworking（SIMNET）计划。该计划主要用于解决运用真实装备进行军事训练成本过高、同时易造成人员伤害的两大问题。因而，SIMNET在两个技术层面上进行了设计：其一，应用模拟器营造虚拟战争环境，实现各类战斗单元的模拟训练。其二，在广域网内联结起各个独立的模拟器，实现异地同步实时显示，以达到各地、各单元整体协调训练的效果。这种远程网络连接最初依靠56K拨号上网实现数据与语言的传输，整套系统一直沿用至1990年代。

美国航空航天局（NASA）亦是启用虚拟现实技术的先行者。1985年，斯科特·费舍尔（Scott Fisher）与NASA的研究人员合作研发了一套名为VIVED（Virtual Visual Environment Display）的设备（见图1-7），用于营造虚拟太空环境，帮助宇航员在平时训练时获得身临其境的感觉。

同时期NASA使用的亦有一套名为LEEP（Large Expanse Extra Perspective）的虚拟现实系统。LEEP最初由埃里克·马约格·豪莱特（Eric Mayorga Howlett）于1979年开始研发，其最大的亮点在于超广角立体视野，并于20世纪80年代末至90年代初，陆续推出数代名为Cyberface的头盔设备。发展至第三代时，整套设备已相当复杂，需由万向架承担主要部件重量，通过悬挂系统，提供了极为灵活的六向运动自由度，但显示分辨率得到了大幅增强，与当时其他虚拟现实系统相比，Cyberface3的清晰度近乎翻番（见图1-8）。

而这一时期，在民用市场最为抢眼的无疑是由杰伦·拉尼尔（Jaron Lanier）于1985年创办的VPL Research公司。VPL是Visual Programming Languages（虚拟程序语言）的缩写，该公司致力于研发与售卖虚拟现实设备，并迅速推出了包括Data Glove, Eye Phone, Data Suit等在内的民用级产品。其中Data Suit是一款能够测量手部、腿部和躯干运动的全身性设备，设计理念之超前，令人惊叹（见图1-9）。

值得一提的是：20世纪80年代末，拉尼尔提出了“Virtual Reality”一词，用以描述虚拟现实技术，这一命名得到了科技界的普遍认同，至此虚拟现实技术有了VR这个现今耳熟能详的大名。拉尼尔因其诸多贡献，亦被称为“虚拟现实之父”。

三、1990—2000年

进入20世纪90年代，伴随着高性能计算机技术、网络与通信技术、人机交互技术的不断突破，VR进入了发展的快车道，无论在理论还是应用方面都得到了极大的完善。

1992年，美国Sense8公司开发出了虚拟环境应用程序包WTK（World Tool Kit），该工具具有优良的二次开发性和移植性，从而大幅缩短了VR系统的开发周期。

1994年，美国工程师马克·佩谢（Mark Pesce）率领托尼·帕里西（Tony Parisi）与加文·贝尔（Gavin Bell），组建了VRML Architecture Group（VAG）。VRML是Virtual Reality Modeling Language（虚拟现实建模语言）的缩写，它可以于互联网中创造三维环境，并允许用户通过网页浏览器进行访问。VRML陆续推出升级版本，实现了网络环境下虚拟世界的显示与交互功能。

在商业化领域，游戏开发商成为布局VR技术的先行者。SEGA公司在原有游戏头盔的基础上，推出了带有LED屏幕与立体声耳机的SEGA VR头盔，该设备已经具备了头部跟踪与反馈功能，并配合研发了四款全新游戏Nuclear Rush, Iron Hammer, Matrix Runner, Outlaw Racing。这款产品原计划定于1994春季推向市场，但由于技术限制，以及无法消除的头疼、眩晕等使用体验问题，SEGA VR除了在1993年的冬季CES（Consumer Electronics Show）上亮相外，并未真正进入消费者市场。

1995年，任天堂（Nintendo）公司向市场推出了Virtual Boy，成为公众可以接触到的第一部可以显示立体三维图形的游戏装置，虽然只提供红色单一显示，但通过视差效果营造出了立体感（见图1-10）。可惜Virtual Boy的市场表现并不尽如人意，一方面，由于仓促上市，将头罩式改为支架式置于桌面的设计，完全丧失了游戏的便携性；另一方面，与SEGA VR一样，存在售价过高、硬件条件限制造成显示缺乏清晰度与流畅度，以及用户体验不佳等一系列问题，迫使其于1996年退出市场。

90年代众多游戏公司在VR领域的投入与尝试，虽说均未获得良好的市场反应，但这种试错过程无疑令一部分公众开始对VR技术有了相对感性的认知，亦为之后VR游戏的重新崛起奠定了基础。

四、2000—2010年

21世纪的最初十年，被称为VR冬季。一方面，VR技术未能产生革新性的突破；另一方面，以智能手机为代表的移动终端异军突起，迅速获取了研究与市场的注意力。VR技术失去了主流媒体的关注，淡出公众视野，但其技术的深度拓展并未停止，在军事、制造和医疗等领域的应用亦不断深入，这一时期大视场角的研发成为VR技术的热点。

2006年，马克·博拉斯（Mark Bolas）与伊恩·麦克道尔（Ian McDowall）开发了一种视场角达150度的头显装置，并命名为Wide5，用于测试视场角大小对于用户体验与行为的影响。同年，东芝（Toshiba）公司推出一款极具未来感的头盔产品，采用了颠覆性的全罩面设计，声称用户可获得水平160度、垂直120度的大视场角，并带来极度的游戏场景沉浸感，可惜终因此装置的巨大重量而退出市场（见图1-11）。

五、2010年至今

度过冬季，VR技术重新上路，并且在技术、设计等诸多方面开创了新纪元。2012年由索尼（Sony）公司推出的HMZ-T1一举打破了以往头显装置过于笨重的问题，HMZ-T1分为显示罩与外部处理单元两部分，显示罩内置两块0.7英寸、解析度达到720P的OLED显示屏，视觉效果“如同在20米的距离上观看750英寸的巨型银幕”。同时，由于左右屏独立显像，解决了立体影像信号串扰的问题，在感官上到达了一个新高度，因而被索尼称为“头戴3D个人影院”，并由此推出了多款后续机型（见图1-12）。

不过从严格意义上来说，索尼的上述产品只能算是“3D观影器”，在人机互动方面依然欠缺，但它在设计理念上堪称现代VR眼镜的雏形。

真正引发VR回归热潮并将其带回公众视线的，无疑归功于Oculus。作为Oculus的创始人，帕尔默·弗里曼·拉奇（Palmer Freeman Luckey）是一位富有极客精神的发明家，其研发VR设备的初衷只是苦于自己玩游戏时市场上并无一套称心的产品。拉奇于2009年在车库内开始试验，着力于开发具备超大视场角、低延时、立体视像、无线传输等功能的VR设备。2012年，拉奇将其第七代产品Rift发布于众筹网站Kickstarter，项目上线后，首日融资额即突破66万美元，最终众筹额度高达243万，可谓风光一时。但Oculus举世闻名的时刻在2014年，脸书以20亿美元对其完成收购，如此大手笔瞬间吸引了媒体的聚焦与资本的涌入，VR在沉寂多年后，又一次被推上了风口浪尖。

依扎克伯格的预见，VR技术将成为一种平台、一种生态，而影响整个科技行业。这种思潮在2014年势不可挡，各大公司着手斥巨资研发消费级VR设备，抢占民用市场份额。除了Oculus以外，谷歌（Google）、微软（Microsoft）、索尼（Sony）、三星（Samsung）等国际厂商均以战略高度来部署VR发展，在汹涌的资本推动下，各巨头自行研发抑或并购投资的力度空前，至2016年12月，Super Data Research发布数据，称该年度全球VR产业总产值已达至约27亿美元。就底层硬件设备而言，短短数年的迅猛发展，已经使得民用市场内充斥着形形色色的VR设备，且价格门槛不断降低，VR真正进入了大众消费与体验的时代。由百度指数的演变不难看出：2016年公众对于VR的认知度与渴求度达到了历史顶点（见图1-13），这与国内外厂商的全力布局、硬件的普及化是密不可分的，2016年因而亦被称为VR的硬件元年。

在2016年大致确定的硬件框架中，现有的民用VR设备主要以三种形态出现：

（1）手机VR眼镜，亦称手机盒子。Google Cardboard便是这一类型的简易模型，Samsung Gear VR、暴风魔镜等国内外产品都是目前流行的此类产品（见图1-14）。手机VR眼镜以“一盒+一机”的基本形式组成，手机作为显示源，配合相关App，即可完成相应的立体影像放映与人机互动。这一类型的优势在于构造简单、成本较低、售价亲民，同时由于搭载手机，移动性较强；

但其劣势在于显示画质、互动程度均受到手机性能的制约，只能定义为入门级的以观影为主要目的的VR设备。

（2）外接式VR头戴设备。此类设备需要与电脑、游戏机等外部设备相连，Oculus Rift与HTC Vive等均为此类代表（见图1-15）。其优势在于借助外部设备的高性能计算能力与图形处理能力，其显示画质与互动机能较之手机盒子得到大幅度提升；但其劣势在于受制于数据线的束缚，移动性与便携性较低，只能固定在某个场所使用，同时，由于构件复杂，售价有所上升，属于企业客户或是资深玩家的选择。

（3）一体式VR头戴设备。此类设备旨在摆脱外界束缚，成为可以单独运行、便携性极强的VR设备。要达到此目的，便要将原本由外部设备承担的计算与图形处理功能，整合入头显之中。如AMD联合Sulon公司推出的Sulon Q，便几乎将一部完整的电脑压缩装配至头显之中，并自带Windows10操作系统，从而实现了自我运算、自我运行的一体化效果（见图1-16）。但这类设备目前仍未大规模推向市场，原因一方面在于：强调一体性与便携性，势必造成硬件整合的牺牲，一体设备中的CPU、显卡等核心部件，其性能无法与外接设备相提并论，故而使用体验要逊色于外接式VR头戴设备；另一方面在于：运行系统的整合意味着成本的大幅攀升，市场是否接受高昂的售价，仍待考验。值得注意的是：硬件及其连带的成本问题随着时间的推移，必然会得到解决，一体化将是VR设备的发展趋势。