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虚拟现实

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手眼虚拟现实
虚拟现实跳伞训练

虚拟现实英语:virtual reality,缩写VR),简称虚拟技术,也称虚拟环境,是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供用户关于视觉等感官的模拟,让用户感觉仿佛身历其境,可以即时、没有限制地观察三维空间内的事物。用户进行位置移动时,计算机可以立即进行复杂的运算,将精确的三维世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形、计算机仿真、人工智能、感应、显示及网络并行处理等技术的最新发展成果,是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

概述[编辑]

从技术的角度来说,虚拟现实系统具有下面三个基本特征:即三个“I”immersion-interaction-imagination(沉浸—交互—构想),它强调了在虚拟系统中的人的主导作用。从过去人只能从计算机系统的外部去观测处理的结果,到人能够沉浸到计算机系统所创建的环境中,从过去人只能通过键盘、鼠标与计算环境中的单维数字信息发生作用,到人能够用多种传感器多维信息的环境发生交互作用;从过去的人只能以定量计算为主的结果中启发从而加深对事物的认识,到人有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感知和理性的认识从而深化概念和萌发新意。总之,在未来的虚拟系统中,人们的目的是使这个由计算机及其它传感器所组成的信息处理系统去尽量“满足”人的需要,而不是强迫人去“凑合”那些不是很亲切的计算机系统。

现在的大部分虚拟现实技术都是视觉体验,一般是通过计算机屏幕、特殊显示设备或立体显示设备获得的,不过一些仿真中还包含了其他的感觉处理,比如从音响和耳机中获得声音效果。在一些高级的触觉系统中还包含了触觉信息,也叫作力反馈,在医学和游戏领域有这样的应用。人们与虚拟环境相互要么通过使用标准设备例如一套键盘与鼠标,要么通过仿真设备例如一只有线手套,要么通过情景手臂和/或全方位踏车。虚拟环境是可以是和现实世界类似的,例如,飞行仿真和作战训练,也可以和现实世界有明显差异,如虚拟现实游戏等。就当前的实际情况来说,它还很难形成一个高逼真的虚拟现实环境,这主要是技术上的限制造成的,这些限制来自计算机处理能力,图像分辨率和通信带宽。然而,随着时间的推移,处理器、图象和数据通讯技术变得更加强大,并具有成本效益,这些限制将最终被克服。

概念来源[编辑]

《世界之表象(World Skin)》(1997)莫里斯·贝纳永的虚拟现实作品

术语"人造现实英语Artificial reality",由迈伦·克鲁格英语Myron W. Krueger创造,并从20世纪70年代使用至今。然而,术语“虚拟现实”的起源可以追溯到法国剧作家,诗人,演员,和导演安托南·阿尔托。在他知名著作《戏剧及其重影(The Theatre and Its Double)》中(1938),阿尔托将剧院描述为“虚拟现实(la réalité virtuelle)”;美国作家埃里克·戴维斯将虚拟现实称为“角色、物体、图像在炼金术师的颅内幻想中律动”[1]。阿尔托称“在几乎所有炼金术书籍中发现的对物质及戏院原理的永恒隐喻都应理解为身份的一种表述···而这种表述存在于角色、图像大体构成了戏院致力打造的虚拟现实和炼金术符号进化的纯虚构和虚幻的世界。”[2]

这个词也被用在达米恩·布罗德里克(Damien Broderick)于1982年出版的科幻小说《The Judas Mandala》中,但其中使用的范围与上述定义有些不同。由牛津词典列举的最早使用是在1987年的一篇题为“Virtual Reality”的文章,[3]但讲的却不是如今意义上虚拟现实技术。现在用法的“虚拟现实”是由杰伦·拉尼尔英语Jaron Lanier和他的公司VPL Research英语VPL Research创造并推广的。VPL Research持有许多80年代中期的VR技术专利,他们开发了第一个被广泛使用的头戴式可视设备(Head Mount Display,HMD)EyePhone和触觉输出设备数据手套英语DataGlove[4]虚拟现实的概念是由电影比如《头脑风暴英语Brainstorm (1983 film)(Brainstorm)》、《割草者英语The Lawnmower Man (film)》才逐渐向大众普及的。20世纪90年代的VR研究热潮是伴随着霍华德·莱恩格尔德英语Howard Rheingold的非小说类书籍《虚拟现实》(1991)。[5]这本书将这个名词去神秘化,使得更易于初级技术者和爱好者理解。

历史[编辑]

1950年之前[编辑]

虚拟现实的概念首先来自于斯坦利·G·温鲍姆(Stanley G. Weinbaum)的科幻小说《皮格马利翁的眼镜(Pygmalion's Spectacles)》[6],被认为探讨虚拟现实的第一部科幻作品,简短的故事中详细地描述了包括嗅觉、触觉和全息护目镜为基础的虚拟现实系统。

1950年至1970年[编辑]

Sensorama设备被发布于1950年代。

莫顿·海利希(Morton Heilig )在50年代创造一个“体验剧场”,可以有效涵盖所有的感觉,吸引观众注意屏幕上的活动。1962年,他创建一个原型被称为Sensorama,五部短片同时进行多种感官(视觉,听觉,嗅觉,触觉)。Sensorama是机械设备,据说今天仍在使用。大约在同一时间,道格拉斯·恩格尔巴特使用计算机屏幕当作输入和输出设备。

1968年,伊凡·苏泽兰与学生Bob Sproull创造第一个虚拟现实及增强现实头戴式显示器系统。这种头戴式显示器相当原始,也相当沉重,不得不被悬挂在天花板上。该设备被称为达摩克利斯之剑(The Sword of Damocles)。

1970年至1990年[编辑]

早期的虚拟现实中,值得注意的是阿斯电影地图(Aspen Movie Map),它由麻省理工学院于1978年创建,背景是科罗拉多州阿斯彭,用户可以徜徉在三种街头模式:夏季、冬季和三维模式。前两个模式无论春夏秋冬由研究人员实际拍摄城市街道每一个运动。

Atari公司在1982年成立虚拟现实研究实验室,但是两年后关闭。然而汤姆·齐默尔曼,斯科特·费舍尔,贾瑞恩·拉尼尔仍持续对虚拟现实相关技术的研究和开发。

到了80年代,贾瑞恩·拉尼尔(Jaron Lanier)使“虚拟现实”广为人知。拉尼尔于1985年创办VPL Research研究几种虚拟现实设备,如数据手套、眼睛电话、音量控制。

在此期间,虚拟现实并不广为人知,媒体报导在80年代末逐渐增加。虚拟现实来自边缘文化,例如赛博朋克视为社会变革的潜在手段,毒品文化则称赞虚拟现实不仅是一种新的艺术形式,更是一个全新的领域[7]。虚拟现实开始吸引媒体的报导,人们开始意识到虚拟现实潜力。有些媒体甚至将虚拟现实与莱特兄弟发明飞机相比[8]

1990年,Jonathan Waldern在伦敦亚历山德拉宫举行的计算机图形90展览会展示“虚拟性”(Virtuality)。这个新系统是种街机,使用虚拟耳机。

1990年至2000年[编辑]

1991年,SEGA发行SEGA VR虚拟现实耳机街机游戏和Mega Drive。它使用液晶显示屏幕,立体声耳机和惯性传感器,让系统可以追踪并反应用户头部运动[9]

同年,游戏Virtuality推出,并成为第一大多人虚拟现实网络娱乐系统。它在许多国家发行,包括旧金山内河码头中心一个专门虚拟现实商场。每台Virtuality系统成本为73,000美元,包含头盔和外骨骼手套,是第一个三维虚拟现实系统[10]

麻省理工学院科学家安东尼奥·梅迪纳设计一个虚拟现实系统,从地球“驾驶”火星车,尽管信号严重延误。该系统被称为“计算机模拟遥控操作”,是虚拟现实的延伸[11]

1991年,罗莱·克鲁兹·内拉(Carolina Cruz-Neira),丹尼尔·J·桑丁和Thomas A. DeFanti在电子可视化实验室创建第一个可视化立方房间,人们可以看到周遭的其他人。

1994年,SEGA发行SEGA VR-1运动模拟器街机[12][13],它能够跟踪头部运动并制造立体3D图像。

1994年,苹果发布QuickTime VR格式。它是与VR广泛链接使用的产品。

1995年7月21日,任天堂完成Virtual Boy并在日本发布。

1995年,西雅图一个组织创造一个“洞穴般的270度沉浸式投影室”,称为虚拟环境剧场。1996年,同一系统在Netscape Communications主办展览会中发表,首次展示虚拟现实连接到网络,内容提要与VRML 3D虚拟世界相链接。

1995年,个人计算机供电的虚拟现实耳机VFX1 Headgear出现,它支持游戏包含天旋地转星球大战:黑暗力量、System Shock和雷神之锤 (游戏)

1999年,企业家菲利普·罗斯戴尔(Philip Rosedale)组织林登实验室(Linden Lab),最初的重点是硬件,使计算机用户完全沉浸在360度虚拟现实中。

一个2013年版本的Oculus VR公司的Oculus Rift设备, 这家公司于2014年被Facebook以20亿美元收购。

2001年-2018年[编辑]

经济实惠和方便的Google Cardboard.

2001年,SAS3或SAS Cube成为第一个台式机立体空间,由Z-A生产,2001年4月在法国拉瓦尔完成。

2007年,谷歌推出街景视图,显示越来越多的世界各地全景,如道路,建筑物和农村地区。一个立体3D模式在2010年推出。

2010年,帕尔默·拉奇创办欧酷拉,设计虚拟现实头戴式显示器Oculus Rift

2013年,任天堂申请专利,提出使用虚拟现实技术概念使2D电视拥有更逼真的3D效果。

2015年7月,OnePlus成为第一家利用虚拟现实推出产品的公司。他们用虚拟现实的平台推出OnePlus 2,在谷歌应用程序Play商店,YouTube上发布。

2015年,Jaunt开发照相机和云端平台。

2016年4月27日,Mojang宣布Minecraft可以在三星Gear VR上使用。

2016年7月,宏达电与电玩商Valve推出个人计算机VR眼镜产品HTC Vive[14]

2016年7月,指挥家VRconductorVR发布全球首个大空间多人交互VR行业应用[15]

2018年1月,上海一个团队首先突破技术难点,于CES大会上推出了商用化的个人8K分辨率计算机VR眼镜,两眼各4K,有效消除了近距观看显示器时人眼的纱窗效应[16][17]

技术与设备[编辑]

一般的虚拟现实设备至少包含一个屏幕、一组感测器及一组计算组件,这些东西被组装在这个设备中.屏幕用来显示仿真的影像,投射在用户的视网膜上、感测器则用来感知用户的旋转角度、计算组件则收集感测器的数据,决定屏幕显示的画面为何.

额外的设备可能包括一台高端计算机,用以补充计算组件的不足. 也可能有一对把手及定位器,用以侦测用户的位置.

对屏幕最重要的要求是反应时间,当前计算机、手机等设备所使用的屏幕多为 TFT-LCD,反应时间太长难以满足虚拟现实的要求,这也是行动虚拟现实最大的挑战.当前所知效果最好的屏幕为 OLED,但全世界能够达到足够质量要求的公司寥寥无几.

使用[编辑]

基于VR进行音乐演奏

教育和培训[编辑]

已经有对虚拟现实学习所做研究,因为它身临其境的质量可以加强学习。

商业地产[编辑]

通过虚拟现实、混合现实、眼控大数据等多项技术的研发与集成成为VR地产场景化营销的工具。应用最广泛的为VR样板房。

健康疑虑[编辑]

过度使用可能对身体健康造成伤害。 当前最广为人所知的是一种称之为“VR晕”的症状,意思就是连续使用 VR 产品超过一段时间(或为大约20分钟),即会产生类似晕车般头晕目眩的效果。这种症状是由于视觉所看到的影像与身体内部感知到的状况不一致所造成。例如一个人的身体内部感知觉得往前跨了一步,但视觉上的影像并没有如预期般后退,像这样不一致的状况维持超过一段时间就会产生头晕的症状。

相关作品[编辑]

电影
动漫

参考来源[编辑]

  1. ^ (英文)"characters, objects, and images take on the phantasmagoric force of alchemy's visionary internal dramas". Erik Davis, Techgnosis: myth, magic and mysticism in the information age, 1998.
  2. ^ (英文)"perpetual allusion to the materials and the principle of the theater found in almost all alchemical books should be understood as the expression of an identity [...] existing between the world in which the characters, images, and in a general way all that constitutes the virtual reality of the theater develops, and the purely fictitious and illusory world in which the symbols of alchemy are evolved". Antonin Artaud, "The Alchemical Theater", in The Theater and its Double, trans. Mary Caroline Richards, New York: Grove Press, 1958, p. 49, emphasis in original. See also Samuel Weber, "'The Virtual Reality of Theater': Antonin Artaud", in Theatricality as Medium, New York: Fordham University Press, 2004, pp. 277–94.
  3. ^ Garb, Yaakov. Virtual reality. Whole Earth Review. Winter 1987, (57): 118ff. 
  4. ^ VPL Research. http://www.vrs.org.uk. [9 June 2015].  外部链接存在于|website= (帮助)
  5. ^ Rheingold, Howard. Virtual Reality. 1991. ISBN 0-262-68121-8. 
  6. ^ Pygmalion's Spectacles. Project Gutenberg. [21 September 2014]. 
  7. ^ Chesher, Chris. Colonizing Virtual Reality: Construction of the Discourse of Virtual Reality. Cultronix. 1994. (原始内容存档于2016-08-08). 
  8. ^ Barlow, John Perry. Being in Nothingness: Virtual Reality and the Pioneers of Cyberspace. Electronic Frontiers Foundation. 1990. (原始内容存档于2016-01-20). 
  9. ^ Horowitz, Ken. Sega VR: Great Idea or Wishful Thinking?. Sega-16. December 28, 2004 [21 August 2010]. (原始内容存档于2010-01-14). 
  10. ^ Virtuality. YouTube. [21 September 2014]. 
  11. ^ Gonzales, D. (editor). Automation and Robotics for the Space Exploration Initiative: Results from Project Outreach (PDF) 92 (17897): 35. 1991. 
  12. ^ Arcade Heroes Sega's Wonderful Simulation Games Over The Years – Arcade Heroes. Arcade Heroes. [20 October 2015]. 
  13. ^ System 16 – Sega Medium Scale Attractions Hardware (Sega). system16.com. [20 October 2015]. 
  14. ^ VIVE
  15. ^ VRoomXL
  16. ^ 8K VR Headset from China – BS marketing
  17. ^ 8K Headset Proves

外部链接[编辑]

参见[编辑]