第二節(jié)　虛擬現(xiàn)實(shí)誕生期

虛擬現(xiàn)實(shí)誕生期主要包括虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)理論的誕生及專用名詞的出現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)雛形設(shè)備的出現(xiàn)，真正意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的誕生，等等。虛擬現(xiàn)實(shí)誕生期的時間大致為1965年至1987年，其標(biāo)志性事件為：1965年，美國科學(xué)家伊凡·蘇澤蘭（Ivan Sutherland）發(fā)表了一篇題為《Ultimate Display》的論文，首次明確提出了虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)理論，并影響至今；1987年，杰倫·拉尼爾（Jaron Lanier）首次提出了虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）的專用名稱并確定其相關(guān)內(nèi)涵，沿用至今。1987年，杰倫·拉尼爾研發(fā)出世界上第一套真正意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備VPL-EyePhone，具備今天虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的主要功能。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)理論的誕生及專用名詞的出現(xiàn)

1.科幻故事對虛擬現(xiàn)實(shí)狀態(tài)的想象

1935年，美國科幻作家斯坦利·溫鮑姆（Stanley Weinbaum）發(fā)表了一本不到40頁的短篇科幻小說《皮格馬利翁的眼鏡》（Pygmalion’s spectacles）。小說中描述了主角只要戴上一套特殊的眼鏡，就能進(jìn)入一個可以模擬視覺、聽覺、味覺、嗅覺和觸感的前所未有的電影世界中。通過小說對體驗(yàn)過這種特殊眼鏡的人的感受描述，我們可以看到不管是哪種讓人進(jìn)入類似夢境的虛擬世界的描述，體驗(yàn)者和虛擬世界的感知和交互方式，以及他們所穿戴的相關(guān)設(shè)備，總體上和今天我們所看到和體驗(yàn)到的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備和內(nèi)容有著驚人的相似。可見，斯坦利·溫鮑姆對于未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及體驗(yàn)內(nèi)容的豐富想象是多么具有前瞻性。要知道那是距今近65年前，連計(jì)算機(jī)都還沒有真正面市的時候。斯坦利·溫鮑姆的《皮格馬利翁的眼鏡》也被公認(rèn)為是探討虛擬現(xiàn)實(shí)的第一部科幻作品。正是受到這篇科幻小說的啟蒙，越來越多的人能夠開啟對虛擬現(xiàn)實(shí)世界認(rèn)知的窗口，包括后來的理論家和踐行者。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)理論的提出

伊凡·蘇澤蘭在論文Ultimate Display中指出，應(yīng)該將計(jì)算機(jī)顯示屏幕作為“一個觀察虛擬世界的窗口”，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠使該窗口中的景象、聲音、事件和行為非常逼真。它的概念包括：第一，觀察者通過HMD觀看虛擬世界，通過增強(qiáng)的3D聲音和觸覺來促進(jìn)用戶的沉浸感；第二，計(jì)算機(jī)硬件生成3D世界，當(dāng)觀察者轉(zhuǎn)動身體或眼球時，場景會實(shí)時變化；第三，用戶以現(xiàn)實(shí)的方式與虛擬世界中的對象交互的能力。

伊凡·蘇澤蘭認(rèn)為：“Ultimate Display必將會是這樣，在一個房間內(nèi)，由電腦可以控制一切存在的物體。人能夠坐在房間中顯示的椅子上，手能被顯示的手銬控制住，而且房間內(nèi)的人們有可能被突如其來的虛擬子彈擊中而致命。通過適當(dāng)?shù)木幊蹋@樣的顯示器可以營造出真正的愛麗絲走進(jìn)的仙境。”伊凡·蘇澤蘭的論文Ultimate Display所描述的各項(xiàng)指標(biāo)后來逐步成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研發(fā)各環(huán)節(jié)的重要參考。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)專用名詞的誕生

經(jīng)歷了1935年斯坦利·溫鮑姆在科幻小說《皮格馬利翁的眼鏡》中對虛擬現(xiàn)實(shí)世界的想象性描述和1965年伊凡·蘇澤蘭在論文Ultimate Display中對虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)理論體系的架構(gòu)，人們對虛擬世界有了一定的主觀認(rèn)知和理論鋪墊，但對于虛擬世界和相關(guān)技術(shù)依然沒有一種相對明確的描述和稱呼，一直到杰倫·拉尼爾的出現(xiàn)。杰倫·拉尼爾是一位集計(jì)算機(jī)科學(xué)家、藝術(shù)家、哲學(xué)家乃至思想家于一身的傳奇式人物，他同時也是美國VPL Research（可視化虛擬編程實(shí)驗(yàn)室）公司的創(chuàng)始人。在杰倫·拉尼爾的帶領(lǐng)下，VPL Research公司研發(fā)出了一系列技術(shù)水平領(lǐng)先的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。

1987年，杰倫·拉尼爾首次提出了虛擬現(xiàn)實(shí)的專用名詞及其相關(guān)內(nèi)涵。虛擬現(xiàn)實(shí)的內(nèi)涵是綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實(shí)及控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術(shù)。其中，計(jì)算機(jī)生成的、可交互的三維環(huán)境稱為虛擬環(huán)境（Virtual Environment，簡稱VE）。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，利用多源信息融合的交互式三維動態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中。

至此，虛擬現(xiàn)實(shí)成為學(xué)術(shù)界和業(yè)界對虛擬世界及相關(guān)技術(shù)的通用稱呼，該名詞及相關(guān)內(nèi)涵的界定也一直沿用至今。雖然后來有不同領(lǐng)域提出的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、混合現(xiàn)實(shí)（MR）、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）等名稱和概念，其內(nèi)容都是基于杰倫·拉尼爾的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的名詞和內(nèi)涵，然后對其進(jìn)行延展，但本質(zhì)上并沒有革命性的突破。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)雛形設(shè)備的出現(xiàn)與優(yōu)化

1. 1968年，“達(dá)摩克利斯之劍”首次實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示

前面已經(jīng)講到，美國科學(xué)家伊凡·蘇澤蘭在論文Ultimate Display中提出了相對完整的虛擬現(xiàn)實(shí)理論體系，并獲得廣泛認(rèn)同，甚至沿用至今。伊凡·蘇澤蘭的理論并非憑空想象，而是來自自己多年在行業(yè)一線的研發(fā)、應(yīng)用與總結(jié)。也就是說，伊凡·蘇澤蘭不只是科學(xué)理論家，他還是身體力行的科學(xué)實(shí)踐家。1968年，伊凡·蘇澤蘭和他的學(xué)生鮑伯·斯普勞爾（Bob Sproull）創(chuàng)建了第一款連接到計(jì)算機(jī)而不是攝像機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示設(shè)備。這款設(shè)備非常笨重，為了保證用戶安全舒適佩戴，伊凡·蘇澤蘭將它和天花板相連，并用一根桿吊在人的腦袋上方，他們將這個設(shè)備形象地稱為“達(dá)摩克利斯之劍”。通過這套設(shè)備，人們能夠看到計(jì)算機(jī)生成的圖形，這些圖形是非常原始的3D線框。

2. 1969年，Glowflow首次實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互雛形“人工現(xiàn)實(shí)”

美國計(jì)算機(jī)藝術(shù)家兼互動藝術(shù)家邁隆·克魯格（Myron Krueger）在威斯康星大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間從事了許多計(jì)算機(jī)互動及應(yīng)用研究的工作，他于1969年創(chuàng)作了計(jì)算機(jī)數(shù)字藝術(shù)交互作品Glowflow。Glowflow是早期虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境實(shí)現(xiàn)的雛形，被稱為最早的“人工現(xiàn)實(shí)”作品。它是一個由計(jì)算機(jī)控制，以人響應(yīng)作為輸入的虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互作品，是一個由計(jì)算機(jī)追蹤控制環(huán)境、體驗(yàn)者參與行為控制和效果呈現(xiàn)的交互式計(jì)算機(jī)藝術(shù)作品。Glowflow被稱為計(jì)算機(jī)數(shù)字信息時代第一個真正意義上的計(jì)算機(jī)互動藝術(shù)作品。該作品首次將藝術(shù)創(chuàng)作的焦點(diǎn)集中在體驗(yàn)者與計(jì)算機(jī)藝術(shù)作品之間的交互過程上，由體驗(yàn)者親身參與計(jì)算機(jī)的互動過程，計(jì)算機(jī)再根據(jù)參與者的現(xiàn)場表現(xiàn)即時反饋出不同的藝術(shù)內(nèi)容，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同人物的不同交互動作，呈現(xiàn)不同的交互藝術(shù)內(nèi)容形態(tài)。Glowflow是虛擬現(xiàn)實(shí)核心技術(shù)領(lǐng)域——人機(jī)交互的重要體現(xiàn)，為后來虛擬現(xiàn)實(shí)在人機(jī)交互領(lǐng)域的發(fā)展提供了參考。

3.1985年，第一個用戶與虛擬物體進(jìn)行交互的Videoplace系統(tǒng)誕生

邁隆·克魯格在創(chuàng)作完成具備人機(jī)交互雛形的作品Glowflow之后，進(jìn)行了深入的研究和總結(jié)，提出了電腦互動的觀念，并將虛擬現(xiàn)實(shí)的觀念首次帶入了藝術(shù)創(chuàng)作領(lǐng)域。1985年， 邁隆·克魯格創(chuàng)建了第一個可以讓用戶與虛擬物體進(jìn)行交互的虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互系統(tǒng)Videoplace。下圖顯示的是邁隆·克魯格人機(jī)交互系統(tǒng)Videoplace的用戶體驗(yàn)效果與實(shí)現(xiàn)原理圖。

下圖顯示的是體驗(yàn)者與Videoplace交互的過程及呈現(xiàn)出來的人機(jī)互動藝術(shù)作品的整體效果。從中可以看到，體驗(yàn)者在平面前做出不同的動作，計(jì)算機(jī)攝像頭就可以捕捉到體驗(yàn)者的身體動態(tài)，然后將動態(tài)數(shù)據(jù)反饋給計(jì)算機(jī)，讓計(jì)算機(jī)跟隨動態(tài)數(shù)據(jù)生成一系列不同的畫面效果。可見，在這個過程中匯總計(jì)算機(jī)對體驗(yàn)者動態(tài)的識別，以及根據(jù)動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋和作品再造，是Videoplace的技術(shù)重點(diǎn)。而這些技術(shù)恰好為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人機(jī)交互及計(jì)算機(jī)即時圖形處理方面的研究提供了豐富的研究素材，為虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互應(yīng)用實(shí)現(xiàn)提供了較好的案例和依據(jù)。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)初代完整原型機(jī)的誕生

真正的科學(xué)家從來不是只會紙上談兵，他們提出理論的同時在應(yīng)用研究方面也通常會研發(fā)出超乎常人的成果。就如同科學(xué)家伊凡·蘇澤蘭在Ultimate Display中提出了虛擬現(xiàn)實(shí)理論體系之后不久研發(fā)出虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示設(shè)備“達(dá)摩克利斯之劍”一樣。杰倫·拉尼爾也在提出虛擬現(xiàn)實(shí)的名詞和內(nèi)涵后，進(jìn)一步展開實(shí)踐應(yīng)用研究，并于1987年開發(fā)出世界上第一套真正意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備VPL-EyePhone。該設(shè)備擁有今天虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的主要功能。

從上面兩組圖片素材中，我們可以了解到VPL-EyePhone已經(jīng)具備了現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)基本的技術(shù)特征，如連接計(jì)算機(jī)獲取計(jì)算機(jī)生成的3D圖形數(shù)據(jù)，相對小型化的虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示設(shè)備，以及頭顯設(shè)備與跟蹤組件的用戶運(yùn)動追蹤，等等。杰倫·拉尼爾帶領(lǐng)VPL公司研發(fā)出包括Dataglove數(shù)據(jù)手套、EyePhone頭戴式顯示設(shè)備的一系列虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，并且致力于虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的商業(yè)化，將VPL公司逐漸發(fā)展成一家以制造虛擬現(xiàn)實(shí)軟硬件產(chǎn)品為導(dǎo)向的公司。雖然后來VPL 在1992年末走向了破產(chǎn)，但作為全球第一家研發(fā)和銷售虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的公司，他們?yōu)樘摂M現(xiàn)實(shí)科技的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。

四、更多虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的出現(xiàn)

VPL-EyePhone出現(xiàn)后，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開始完整地呈現(xiàn)出來，人們開始真正體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)，并感受到其巨大的發(fā)展空間。越來越多企業(yè)投入虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)中，研發(fā)出各種各樣的產(chǎn)品，如Atari VR，Jaguar VR，CyberMaxx VR，IBM Project Elysium VR，F(xiàn)orte VFX1 VR Headgean，等等。

1. Atari VR和Jaguar VR

20世紀(jì)80年代，美國游戲開發(fā)商Atari公司研發(fā)出虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備Atari VR。1992年，Atari推出新一代虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備Jaguar VR。

2. CyberMaxx VR

1993年，美國虛擬現(xiàn)實(shí)四維電腦玩具公司Victor-Maxx Technologies研發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備CyberMaxx VR，可運(yùn)行《毀滅戰(zhàn)士2》（Doom 2）。

3. IBM Project Elysium VR

1995年，國際商用電腦公司IBM推出沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)Project Elysium VR。

4. Forte VFX1 VR Headgear

1995年，美國Forte Technologies公司研發(fā)出Forte VFX1 VR Headgear。下圖顯示的是Forte VFX1 VR Headgear，左為體驗(yàn)者佩戴效果，右為設(shè)備的控制手柄Cyber Book。

虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)理論的確立和具備相對完整功能虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的誕生推動了虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備如雨后春筍般層出不窮。正是大量的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的出現(xiàn)并融入大眾和行業(yè)的應(yīng)用中，才能夠積累更多的用戶信息和行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而逐步優(yōu)化和完善相關(guān)技術(shù)。