1.3 虚拟现实的发展过程

VR概念提出已久。几十年的历史中，通过一代代人的完善与发展才取得了今天的成果。回顾VR发展轨迹，分析当前发展现状，深入研究相关支撑技术才能将VR发展到新的高度。

1.3.1 VR概念的提出与演变

1932年，英格兰作家阿道司·赫胥黎推出长篇小说《美丽新世界》，如图1-6所示。在小说中，他对未来社会的生活场景进行了畅想，其中提到了一款头戴式设备，它可以为人们提供图像、气味和声音等感官体验。虽然这款设备的具体名称在书中并没有提及，但是从今天的视角来看，这就是一款不折不扣的VR设备。

1935年，小说家爱斯坦利·温鲍姆在小说《皮格马利翁的眼镜》中同样描述了一款VR眼镜，能够让使用者实现视觉、嗅觉、触觉等全方位沉浸式体验，如图1-7所示。然而连温鲍姆都没有想到的是，这个基于小说情节而出现的眼镜竟然在未来引发了一场技术革命。这本小说也因此被世人铭记。

随着科学技术的不断进步，特别是计算机的出现，VR技术的实现具备了基本条件。1958年诞生了第一台VR模型——Sensorama，稍后在1968年“达摩克利斯之剑”诞生在“VR之父”伊凡·苏泽兰的手中，如图1-8所示。温鲍姆在小说中描述的眼镜被真正带到了人们的现实生活中，VR技术的理念也开始被正式引入应用。

20世纪70年代，NASA（National Aeronautics and Space Administration，美国国家航空航天局）也开始了在VR领域的研究和尝试。经过一段时间的研究，由NASA自行研发的虚拟现实设备正式投入到了航天领域中。

20世纪80年代，随着个人计算机的普及，VR有了更好的生存环境。越来越多的人开始投入到对VR的钻研之中。1982年，游戏公司雅达利率先开始着手于VR街机项目的研究。1984年杰伦·拉尼尔创办VPL Research公司，并且很快推出了世界上第一台面向市场的VR头显设备Eyephone。但是在那个计算机技术还未成熟的年代，VR的技术条件显然无法被支撑，10万美元的天价使得Eyephone未能普及，如图1-9所示。

20世纪90年代后，VR取得了进一步的发展。雅达利、索尼等众多公司都拥有了自己的头戴VR设备。虽然此时的产品大多还都局限于技术研究层面，未能真正普及，但是它们的出现成功地为VR走向大众打开了一扇门。其中最具代表性的还要数1994年日本游戏公司世嘉的Sega VR-1和任天堂的Virtual Boy，如图1-10所示。Virtual Boy利用当时十分前卫的类似3D电影的技术产生立体效果，任天堂曾想用其取代Game Boy（任天堂公司在1989年发售的第一代便携式掌上游戏机）。

正如虚拟现实定义提出者杰伦·拉尼尔所说，VR实际上注重的是通过打造虚拟世界来完善现实世界。利用先进的技术来构造一个虚拟的时空，以填补人们在现实生活中的遗憾，这将成为人们继续探索VR的精神支撑和直接动力。随着越来越多的人开始进入探索VR的征途，原本只能存在于小说和电影中的设想开始陆续成为实物，VR正在走进人们的生活。

1.3.2 当下VR发展现状

《头号玩家》中描述的是一个假想的未来世界的VR技术状态，但是当下，VR和相关技术还处在快速的发展阶段，还没有能达到电影中所描述的情景。这里简要介绍一下VR技术在发源地美国，以及欧洲和中国的发展现状。

1. 美国的VR现状

美国是VR技术的发源地，拥有主要的VR技术研究机构，其中VR技术的诞生地——NASA的Ames实验室，引领着VR技术在世界各国发展壮大，如图1-11所示。美国实验室对空间信息领域的基础研究早在20世纪80年代就已经开始，在80年代中期还创建了虚拟视觉环境研究工程，随后又创建了虚拟界面环境工作机构。

如今，美国的VR产业仍处于全球领先地位。众多科技公司纷纷推出各种VR相关的软硬件产品，如微软公司推出的VR设备Microsoft HoloLens，拥有可透视镜片、立体音效、先进传感器、全息影像处理器，是第一台运行Windows 10系统的全息计算机，不受任何限制——没有线缆和听筒，并且不需要连接计算机。Microsoft HoloLens能够让用户把一个全息图像钉到真实物理环境中，提供了一个看世界的新方式。再比如Valve公司旗下的Steam VR，在内容方面最具优势，以近500个VR应用／游戏占据VR最多的市场资源。

2. 欧洲的VR现状

在2016年VR元年的带动下，欧洲越来越多的公司投身于VR这个新兴的产业中，如图1-12所示。在2017年，The Venture Reality Fund（一家位于硅谷的风投公司，专注于VR和AR领域的投资）和法国的LucidWed（拥有一个庞大的欧洲VR初创公司的数据库）联合发布了一份欧洲VR行业面貌图，收录了116家欧洲VR技术相关公司，占据了整个欧洲VR产业的半壁江山，展示了欧洲VR产业生态系统的整体风貌，包括应用、内容、工具、平台以及硬件等。在地区分布上，法国目前在整个欧洲地区的VR发展总体上处于领先地位。

除此之外，英国对欧洲VR产业的贡献也不可磨灭。英国的研究公司设计的DVS系统试图将一些VR技术在各领域实际应用中进行标准化，同时该公司还为VR技术设计了先进的环境编辑语言并投入实际编辑工作中。虽然由于编辑语言的不同，导致在实际应用中的操作模型不尽相同，但是这些模型都可以与编辑语言一一对应。因此，DVS系统在进行不一样的操作流程时，VR技术就会展现出不一样的功能。对VR技术某些方面的研究工作，英国处在较前列，尤其是对于VR技术的处理以及辅助设备设计研究等方面。

3. 中国的VR现状

我国VR技术研究起步较晚，与欧美地区等发达国家还有一定的差距。随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展，VR技术已得到国家有关部门和科学家们的高度重视，其研究与应用也引起了社会各界人士的广泛关注，呈现出重点高校实验室和VR技术相关科技公司共同合作研究的态势。

作为国内最早进行VR研究、最具权威的单位之一，北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室集成了分布式虚拟环境，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等多种相关技术。实验室着重研究虚拟环境中物体物理特性的表示和处理，在视觉接口方面开发出部分硬件，并进行有关算法及实现方法的研究。

除此之外，国内的其他高校也对VR技术进行了不同方向的探索和研究。清华大学国家光盘工程研究中心所做的“布达拉宫”，采用QuickTime技术，实现大全景VR系统。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，并研制出在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。哈尔滨工业大学计算机系已经成功地合成人的高级行为中的特定人脸图像，解决了表情合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等。武汉理工大学智能制造与控制研究所研究使用虚拟现实技术进行机械虚拟制造，包括虚拟布局、虚拟装配和产品原型快速生成等。西安交通大学信息工程研究所进行了虚拟现实中的立体显示技术这一关键技术的研究，在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPEG标准来压缩编码的新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且已经通过实验结果证明了这种方案的优越性。中国科技开发院威海分院研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图像的算法回显及软件接口，在硬件的开发上已经完成LCD红外立体眼镜，并且已经实现商品化。另外，北京工业大学CAD研究中心、北京邮电大学自动化学院、西北工业大学CAD/CAM研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所、长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。

除了各大高校对VR技术的研究外，最近几年国内也涌现出许多从事虚拟现实技术研究的科技公司，如HTC威爱教育。2016年8月，HTC威爱教育推出的全球第一套虚拟现实教室受到了时任国务院副总理汪洋同志的高度评价，2017年，该公司联合虚拟现实国家重点实验室、北京航空航天大学开办了全球首个虚拟现实硕士专业，旨在打造全球规模最大、品质最高的虚拟现实高级学府。2017年11月，其作为全球十大，中国唯一的虚拟现实教育公司入选权威的THE VR FUND H2 2017 VR INDUSTRY LANDSCAPE（VR基金2017年全球虚拟现实百强企业名录）。

1.3.3 VR发展道路上相互促进的关联技术

由于VR技术的实现是基于计算机相关技术的，因此它并不孤单，在其发展道路上，有许多的关联技术，比如计算机仿真、计算机图形学、人工智能、5G技术和大数据技术等。它们和VR技术紧密联系，相互促进，共同发展，为VR技术走进千家万户一起努力。

1. 计算机仿真

计算机仿真是一种描述性技术，是一种定量分析方法。通过建立某一过程或某一系统的模式，来描述该过程或系统，然后用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供关于这一过程或系统的定量分析结果，作为决策的理论依据。

而VR技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，它利用计算机生成一种结合了多源信息融合、交互式的三维动态视景和实体行为的模拟环境，并使用户沉浸到该环境中，以直接观察的方式获得最直观的仿真结果。

2. 计算机图形学

计算机图形学是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、如何用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。

VR技术与计算机图形学是包含关系。VR即做一个虚拟的“现实”出来，除了计算机图形学需要做的视觉方面的展示外，还要将图形渲染出的效果再呈现为3D画面，以被人眼直接观察到，VR还包括听觉、触觉、嗅觉等视觉之外感官的反馈。

3. 人工智能

人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学，是计算机科学的一个分支，如图1-13所示是应用人工智能的场景。它试图揭示人类智能的本质，并生产出一种新的，能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。

人工智能和VR又有何种关系呢？简单来说，人工智能能够创造接受感知的事物，而VR是一个创造被感知的环境。人工智能的事物可以在VR环境中进行模拟和训练。随着时间的推移，人工智能会使得虚拟世界中的环境更真实，让虚拟的人更像人，让虚拟的场景更逼真。

4. 5G通信

第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术，通常被缩写为5G。它是4G之后的延伸，5G网络的理论下行速度为10Gb/s（相当于下载速度1.25GB/s）。网络传输的发展不断带动终端的革新，从PC到功能手机，再到智能手机的演进都离不开网络传输技术的发展。近两三年有不少人将5G与VR紧密联系在一起。Facebook首席执行官扎克伯格甚至认为，VR将成为5G最为重要的杀手级应用。

5G需要VR应用，增强移动宽带使5G典型应用场景的下载速率可达到1Gb/s，峰值速率可达到10Gb/s以上。但是，如果5G只带给大家更宽的带宽、更高的速率，显然还是不够。中国工程院院士邬贺铨认为，未来5G更重要的应用应该是产业上的应用，如VR应用等，这也是未来运营商的一大业务增长点。同时，VR也需要5G的支持，在VR/AR技术中，语音识别、视线跟踪、手势感应等都需要低时延处理，这也同时要求网络时延必须足够低。所以，超高速的、超低时延的5G网络就为VR走进人们的日常生活铺平了道路。

5. 大数据技术

大数据是指无法在一定时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合，是需要新处理模式才能处理的，具有更强的决策力、洞察力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。而大数据技术就是对这些海量的数据进行处理和分析。

从表面上看，大数据技术和VR技术好像没有关联，其实不然，VR可以从很多方面改变大数据。比如，大数据将变为沉浸式，在2D屏幕可视化大量数据几乎是不可能完成的任务，但VR提供了一种可能性。同时，分析将变成交互式。交互性是理解大数据的关键。毕竟，如果没有动态处理数据的能力，拟真并没有太多意义。几十年以来，人们一直在使用静态数据模型来了解动态数据，但VR为人们提供了动态处理数据的能力。