第1章 虛擬現實：交互方式新革命

什么是虛擬現實

1.1 虛擬現實能以假亂真

如果要用一句簡單的話來說明什么是虛擬現實，那就是能把假的變成真的，能讓你在意識清醒的情況下更加真切地感受一個夢。生活中總會有一些場景，是你想象過、見到過與聽到過，但是卻從沒經歷過的。所以，以前從最初的做白日夢、冥想，到讀小說、看電影和玩游戲，無非都是在想方設法體驗不同的夢境。為了不斷增強這種夢境的真實感，發展出各種有聲圖書、3D電影以及網絡游戲，然而技術只是從視覺、聽覺著手，始終有一種無法跨越的距離感。為進一步縮小這種距離，虛擬現實逐漸普及開來。

虛擬現實中的“現實”是泛指在物理意義或功能意義上存在的任何事物或環境，它可以是可實現的，也可以是難以實現或根本無法實現的；“虛擬”是借助計算機生成的模擬系統。因此，用戶可以通過使用特殊裝置將自己“投射”到這個環境之中，操作與控制環境，成為這種環境的主宰。從本質來說，虛擬現實是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供如視覺、聽覺、觸覺等各種直觀而又自然的實時感知交互手段，最大限度地方便用戶操作。

虛擬現實技術是仿真技術的一個重要方向，是仿真技術與計算機圖形學人機接口技術、多媒體技術、傳感技術和網絡技術等多種技術的集合，需要模擬環境、感知、自然技能和傳感設備等方面共同配合，音響設備、計算機設備、智能手機和虛擬現實設備的共同發展締造了該技術實現的可能：第一，模擬環境是由計算機生成的、實時動態的三維立體逼真圖像；第二，理想的虛擬現實應該具有一切人所具有的感知，除計算機圖形技術所生成的視覺感知外，還包括聽覺、觸覺、力覺、運動，甚至還包括嗅覺和味覺等；第三，自然技能是指人的頭部轉動，眼睛、手勢或其他人體行為動作，由計算機來處理與參與者的動作相適應的數據，并對用戶的輸入做出實時響應，并分別反饋到用戶的五官；第四，傳感設備是指三維交互設備。如圖1所示。

1.2 虛擬現實時代的三足鼎立

在現階段的虛擬現實技術中，可投放至消費者市場的是虛擬現實、增強現實和混合現實；其中又以虛擬現實的技術發展最為成熟。然而，這3個技術對于大多消費者而言既熟悉又陌生。相信這些信息對大多人來說都不陌生，但三者究竟如何區分卻又令人迷惑。簡單來說，虛擬現實是純虛擬數字畫面，增強現實虛擬數字畫面加上裸眼現實，混合現實是數字化現實加上虛擬數字畫面。

虛擬現實（Virtual Reality），簡稱VR，也被譯為虛擬實境，指利用計算機技術模擬產生一個為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等感官模擬的三度空間虛擬世界，用戶借助特殊的輸入/輸出設備，與虛擬世界進行自然的交互。用戶進行位置移動時，計算機可以通過運算，將精確的三維世界視頻傳回產生臨場感，令用戶及時、無限制地觀察該空間內的事物，如身歷其境一般。這種虛擬現實技術集成了計算機圖形、計算機仿真、人工智能、感應、顯示及網絡并行處理等技術的最新發展成果，是高技術的模擬系統。

增強現實（Augmented Reality），簡稱AR，是一種實時計算攝影機影像位置及角度，并輔以相應圖像的技術。這種技術可以通過全息投影，在鏡片的顯示屏幕中將虛擬世界與現實世界疊加，操作者可以通過設備互動。

盡管涉及虛擬成像，但虛擬現實和增強現實在技術實現方面還是存在著本質上的區別：虛擬現實的視覺呈現方式是阻斷人眼與現實世界的連接，通過設備實時渲染的畫面，營造一個全新的世界；增強現實的視覺呈現方式是在人眼與現實世界連接的情況下，疊加全息影像，加強其視覺呈現的方式。區分虛擬現實和增強現實的一個簡單的方法：頭戴設備是否透明。虛擬現實需要用一個不透明的頭戴設備完成虛擬世界里的沉浸體驗，而增強現實需要清晰的頭戴設備看清真實世界和重疊在上面的信息和圖像。例如，計算機把我的感知帶到一個陌生虛擬的環境中，這就是虛擬現實。增強現實是把數字的信息疊加到生活當中，就像在這貼了一個號碼，這號碼代表它在數據庫里的序號，通過這個號碼，能夠看到其在數據庫中所顯示的信息。

從目前的觀察來看，增強現實比較適合服務企業級用戶，而虛擬現實則適用于消費者和企業用戶。因此，會出現兩者重疊的市場，例如，游戲產業。由于增強現實技術仍處于研發初期，相較虛擬現實滯后2～3年，因此目前的游戲研發主要基于虛擬現實技術，但微軟也用HoloLens重新創作了《我的世界》這樣增強現實的游戲。虛擬現實和增強現實均需通過頭部和手勢操控完成體驗，這兩項技術必將推動HMD設備成為新的計算平臺，進而為計算生態系統帶來新的變化。但目前消費者市場和企業市場都暫未能HMD設備變為臺式機、筆記本、平板電腦和智能手機之外的必要設備。

混合現實技術（Mixed Reality），簡稱MR，指的是結合真實和虛擬世界創造了新的環境和可視化的三維世界，物理實體和數字對象共存并實時相互作用，以用來模擬真實物體，是虛擬現實技術的進一步發展。該技術通過在虛擬環境中引入現實場景信息，在虛擬世界、現實世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，增強用戶體驗的真實感。混合現實的“實現”需要在一個能與現實世界各事物交互的環境中進行，其關鍵點是與現實世界進行交互和信息的及時獲取。目前全球從事混合現實領域的企業和團隊比較少，并且處于初期的研究階段。

從概念上來說，增強現實與混合現實更為接近，都是一半現實一半虛擬影像，但傳統增強現實技術運用棱鏡光學原理折射現實影像，視角不如虛擬現實視角大，清晰度也會受到影響。混合現實技術結合了虛擬現實與增強現實的優勢，能夠更好地將增強現實技術體現出來；同時，虛擬現實的大視角結合到增強現實設備中，可以彌補增強現實視角不足的情況。而增強現實和混合現實的區別在于，增強現實通過一個攝像頭讓你看到裸眼都看不到的現實，虛擬現實只是疊加虛擬環境而不管現實本身。簡單來說，增強現實技術通過不同程度曝光攝像，還原人眼在特定環境下看不到的情景。比如,在車燈直接照射的情況下，人眼往往很難看清車牌號碼或者對面的路況，但是通過增強現實技術拍攝不同曝光程度的照片并將它們合成，這種情況就迎刃而解了。根據混合現實提出者Steve Mann的推斷，智能硬件最后會逐步走向混合現實技術。

1.3 虛擬現實如何瞞天過海

虛擬現實之所以令人期待，因為其能建構另一種沉浸感極強的虛擬場景，這些場景未必不存在或不能實現，只是并非是身邊唾手可得、司空見慣的場景。想要讓使用者身臨其境，就需要令虛擬場景騙過使用者的感知，提供極強的沉浸感、交互性以及想象性。

沉浸感：這是虛擬現實系統最基本的特征，指讓人沉浸到虛擬的空間之中，脫離現有的真實環境，獲得與真實世界相同或相似的感知。為了實現盡可能好的沉浸感，虛擬現實系統必須具備人體的感官特性，包括視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺等。由于人類獲取的信息70%～80%來自視覺，所以視覺是虛擬現實最重要的感知接口，因此畫面感是虛擬現實首先要突破的、完善的方面。

交互性：這是通過硬件和軟件設備進行人機交互，包括用戶對虛擬環境中對象的可操作程度和從虛擬環境中得到反饋的自然程度。在虛擬現實應用中，用戶將從過去只能通過鍵盤、鼠標與計算環境中的單維數字信息交互，升級為用多種傳感器（眼球識別、語音、手勢乃至腦電波）與多維信息的環境交互，逐漸與真實世界中的交互趨同。只有令使用者與這個虛擬場景建立更多聯系，才能更好地引導使用者進入這個虛擬世界，進一步增強使用者的沉浸感。

想象性：這是指用戶在虛擬世界中根據所獲取的多種信息和自身在系統中的行為，通過邏輯判斷、推理和聯想等思維過程，隨著系統的運行狀態變化而對其未來進展進行想象的能力。對適當的應用對象加上虛擬現實的創意和想象力，可以大幅度提高生產效率、減輕勞動強度、提高產品開發質量。以Oculus Rift頭盔為例，人們戴上它可以脫離現實環境，沉浸在虛擬的游戲場景中，而且可以通過設備進行一些人機交互，這些過程最終會對人的心理產生一些刺激或影響。