虚拟现实的起源、趋势及应用

2016年，又一个“虚拟现实元年”， 自从2014年3月 Facebook宣布以20亿美元收购Oculus之后，每一年都成了“虚拟现实元年”。

同样，自2013年12月14新三板扩容至全国后，便出现了井喷式的发展，2014年由此也被称为“新三板元年”，自此之后的每一年也都被称之为“新三板元年”。

互联网元年、大数据元年、云计算元年… 科技圈好像特别偏爱“元年”这个词。至少有两个原因：1. 第一总是好的，凡事都要抢第一，这是我们的传统。人生的第一桶金，过年的头一炷香，连宴席上第一个动筷子的人都是身份地位的象征。2. 革命思想作祟，我们内心深处都是希望革命的，都希望做每个时代的革命者，能当上君王最好，说不定我运气好了，赶上这拨儿了呢！VR界的BAT，听着就那么振奋人心鼓舞士气。当然，这都是我意淫的，在当下浩浩荡荡的造词营（hu）销（you）运动面前，不是心理学就能简单解释的清楚的，而且我也没学过心理学…

在科学技术领域不能简单粗暴的以革命的办法来定义某一年是“元年”。1801年，被誉为“无机化学之父”的英国人汉弗里·戴维Humphry Davy就将铂丝通电发光，7年后他又用2000节电池和两根炭棒，制成世界上第一盏弧光灯。汉弗里·戴维死后的第25年，生于德国人亨利·戈培尔Heinrich Göbel用一根炭化的竹丝，放在真空的玻璃瓶下通电发光，发明了第一个白炽灯，并且可以维持400小时。又过了25年英国人约瑟夫·威尔森·斯旺JosephWilson Swan以真空下用碳丝通电的灯泡在英国申请并获得了专利，并与1875年把专利卖给了美国人托马斯·爱迪生Thomas Edison。1880年爱迪生造出的炭化竹丝灯泡曾成功在实验室维持1200小时。请问，哪一年是电灯泡的元年？

以上参考资料来自维基百科，好了我装完X了，我们来聊聊虚拟现实吧。

几年前提到虚拟现实，大部分人第一反应还都会想到好莱坞的科幻电影，而现在大家都知道了Oculus头盔，虚拟现实似乎和头戴式显示器HMD划上了等号。当然，这对于一个行业的发展是好事，将虚拟现实符号化更加有利于传播。

对于虚拟现实的通俗解释是：利用计算机技术从空间和位置上来模拟人类视觉、听觉、触觉甚至是嗅觉的感受，从而达到身临其境的效果。现在被广泛用来推广和宣传的虚拟现实头盔就是视觉上的模拟，当然视觉上的模拟还有很多种形式，一会我们展开来聊。

配合光学捕捉系统和数据手套使用的头戴式显示器

听觉上的模拟早在上个世纪就已经出现了。1957年美国Audio Fidelity Records公司就第一次将立体声引入商业唱片领域，1957年可视为唱片录音史上Mono与Stereo的重要分水岭，许多在1957年前便过世的音乐家，都因而很遗憾未能留下Stereo的录音资料。此后在1960年代，大多数唱片公司都陆续放弃单声道，全面性地转向双声道立体声录音。到了1985年，日本电子机械工业会(EIAJ)也对环绕立体声制定了技术标准(STC-020)。

早些年的立体声收录机

触觉上为了得到真实的触觉反馈，就要提到利用高精度机械马达的反作用力和各种传感器配合完成的力反馈ForceFeedback技术；利用红外光学实时反射或陀螺仪传感器或超声波传感器对人体动作的捕捉完成的动作捕捉Motioncapture技术（好莱坞电影中已有广泛应用，请自行Google詹姆斯卡梅隆的阿凡达拍摄技术）；还有数据手套Data Glove；甚至是眼动追踪Eye Tracking技术，Google就曾经用眼动追踪技术来测试网页的可用性，而苹果公司更是在2010年战略投资了瑞典眼动追踪技术公司Tobii。这个领域的技术其实也发展的如火如荼，而且很多都是真正的狂拽酷炫的黑科技，如果大家感兴趣，回头单独写一篇跟大家讨论。

桌面型力反馈设备
电影阿凡达Avatar中的光学动作捕捉设备电影阿凡达Avatar中的光学动作捕捉设备
电影猩球崛起Rise of the Planet of theApes中的光学面部动作捕捉设备电影猩球崛起Rise of the Planet of theApes中的光学面部动作捕捉设备

嗅觉技术上我没研究过，但是以我国人民对各种化学用品以及食品添加剂广泛应用，这项技术的突破指日可待。

近些年来我国在嗅觉和味觉模拟领域有着突破性的进展

我们回过头来聊聊最近这些年火热的视觉模拟技术。 大约在公元前400年左右，希腊的数学家欧几里德Euclid发现了人类之所以能洞察立体空间，主要是因左右眼所看到的景物不同而产生，这种现象被叫做双眼视差Binocular Parallax。再后来1838年的查尔斯·惠斯通Charles Wheatstone和1849 年的大卫·布儒斯特David Brewster也是利用双眼视差Binocular Parallax原理发明出了的各种可以看出立体画面的设备。

1838年查尔斯·惠斯通Charles Wheatstone发明的立体镜Stereoscope
1849年大卫·布儒斯特David Brewster以凸透镜取代立体镜中的镜子发明了改良型的立体镜
1901年出版的用双眼视差设备观看的立体图画1901年出版的用双眼视差设备观看的立体图画

时至今日，我们时下最流行的3D立体视觉模拟技术也是基于双眼视差Binocular Parallax原理，无论是各大影院的3D电影，还是自己家中的3D电视，以及引领虚拟现实元年的虚拟现实头盔或者VR眼镜，都是通过计算机技术和显示成像技术对左右眼分别提供一组视角不同的画面，提供一个双眼视差的环境，从而让人感觉到立体画面。所以我经常跟朋友们开玩笑说，如果电影加勒比海盗中的Ragetti去看3D电影，他是感觉不到立体的。因为他一只眼睛带着眼罩，只能看到一组画面，无法感知双眼视差，所以他会要求退票的！

麦肯锡·克鲁克Mackenzie Crook在电影加勒比海盗中饰演的Ragetti

在全世界范围内应用的较为广泛的3D立体显示技术主要依靠投影技术和显示器技术来实现的，而投影系统和显示器又分为了主动立体和被动立体两种立体模式。如何理解主动立体和被动立体，主要看显示设备是主动分成两组画面还是被动分成两组画面。

主动立体显示系统的投影机或者显示器可以主动显示两组画面，一般都具有较高的刷新频率，至少要达到120Hz，这样当平均分成两组画面进行交替的时候，才能让每只眼镜看到的画面不低于60Hz的刷新率，保证画面的流畅度。主动立体显示系统还必须要有刷新频率信号发射设备和可接收信号的液晶快门眼镜。当显示设备开启主动立体模式，会经过信号发生器发射同步刷新信号，液晶快门眼镜在接收到信号后会根据显示系统的刷新频率同步交替开启左右眼镜片，这样就能保证两只眼睛可以分别看到两组不同的画面。

<img src="https://pic3.zhimg.com/79f0bb21a331f22b85e046775663501e_b.png" data-rawwidth="967" data-rawheight="509" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="967" data-original="https://pic3.zhimg.com/79f0bb21a331f22b85e046775663501e_r.png">主动立体通过显示系统和液晶快门眼镜配合刷新显示两组不同画面

主动立体的优势在于立体显示效果明显，沉浸感强，观者的头部移动不受限制，而且主动立体投影系统不受场地荧幕的限制。缺点就是成本较高，而且由于立体显示效果依靠显示设备和眼镜的刷新频率，所以会有眩晕的感觉不适合长时间佩戴。

NVIDIA公司出品的3D VISION2液晶快门眼镜及发射器套装

被动立体显示系统的显示设备本身并不能主动显示两组画面，是通过后期处理成两组画面。常见被动立体显示器就是在显示设备上叠加偏振光片将显示画面进行拆分，同时在偏振光片眼镜的配合下从而达到立体显示效果，一般被动立体显示器所用的是圆偏振光片。如何区分自己家里买的3D电视是主动立体还是被动立体，最直接的办法就是看随机配送的眼镜，如果是需要安装电池的，就是主动立体，如果仅仅是一个塑料材质的眼镜无需安装电池，就是被动立体。

被动立体显示器的工作原理示意图

而被动立体投影系统一般则是需要两台投影机上下叠加，并且在每台投影机前防止一个偏振光片，通常是将两个线偏振光片以90°的角度差分别放置在两台投影机前，同时，将3D眼镜也以两个线偏振光片以90°的角度差分别安装，这样就能保证两只眼睛可以分别看到两组不同的画面。而且如果是被动立体投影系统还需要配备一个高增益的金属投影幕，因为普通物体反射的光是偏振光，也就是只能反射一个方向的偏振光，这样就不能把两个画面都反射回来。而金属可以将两个画面的光线全部反射回来，这样才能保证看到两组画面。

被动立体的优势在于显示设备价格亲民，而且不会产生佩戴眩晕感，所以大部门电影院的3D电影用的都是被动立体投影系统。缺点在于对场地荧幕有特殊要求，而且如果是线偏振片的眼镜，还需要保证观者头部不能向左或向右垂直偏转，有较高的限制性。

被动立体投影系统常见配置

当然，随着科技的发展，这些对于概念、定义上的局限也都会逐渐被模糊。早在2006年瑞士的Barco公司在北京展出的Galaxy+ 系列投影机就做到了一台投影机既能做到不需要金属荧幕的被动立体投影也能变成一台主动立体投影机。其运用的Infitec+ 技术使用高品质颜色过滤技术，将传统的主动立体信号转换成同样刷新率的、感觉更舒适的光谱立体图像输出，相继为左眼和右眼生成图像。该技术克服了传统主动立体和被动立体技术的缺点，在实用性和显示效果方面表现更出色，其主要特点为对屏幕没有偏振特性的要求，提供与主动立体一样的系统图像拼接质量。而其光谱分离技术的立体眼镜不需要配备电源和复杂的电路，因此舒适感和沉浸感更好、眼镜轻便、由于不需信号同步发射器所以头部可随意移动，可以满足有大量观众场合的应用。同时Galaxy＋也可以输出主动立体或普通的非立体图像。

Dolby光谱分离立体(INFITEC)眼镜Dolby光谱分离立体(INFITEC)眼镜
Barco公司采用Infitec技术的Galaxy NW-12 EX型号投影机Barco公司采用Infitec技术的Galaxy NW-12 EX型号投影机

概念和定义是帮助人们对某项事物进行认知和学习的，对于发展和创新则不能拘泥于此。当下如火如荼叱咤风云的虚拟现实头盔或者VR眼镜就不能简单地给划分成主动立体还是被动立体。其实对于这一类设备有一个较为专业的统称：头戴式显示器Head MountedDisplay，这种设备在上个世纪中期也已经有了雏形。

全世界公认的图形图像学之父——伊凡·爱德华·苏泽兰Ivan EdwardSutherland在1968年设计了一个在现在看来非常笨重的头戴式显示器。这套设备不仅配有显示器，而且还配备了视角定位设备，当用户改变他们的头部的位置时，吊臂关节的移动就传输到计算机中，计算机则相应地更新屏幕显示。但是由于其显示设备以及用于反馈用户视角的传感器设备的重量大大超出了正常人的承受能力，所以不得不将整个设备悬挂吊装在天花板上。而这第一台头戴式显示器因此也赢得了一个绰号“达摩克利斯之剑”！

1968年Ivan Sutherland 设计的头戴式显示器1968年Ivan Sutherland 设计的头戴式显示器

从上个世纪六十年代开始战斗机飞行员的战斗机操作技术复杂性日益增加，各种在那时人民看来的黑科技也相继出现。托马斯·弗内斯Thomas A.Furness III一个不是创造虚拟现实概念却被称为“虚拟现实之父”的人，从1966年开始为设在美国俄亥俄州的Wright-Patterson空军基地的飞行员们开发了一系列用于战斗机驾驶模拟的设备，直到1986年的The SuperCockpit达到了一个不小的技术巅峰。其配备的6自由度传感器不但能够让飞行员们完全沉浸在虚拟世界中，以及在那个时代绝对的黑科技：3D地图，红外和雷达图像，头部位置跟踪，手势控制和语音控制，甚至是眼动追踪技术。

托马斯·弗内斯为美国空军设计的头戴式显示器托马斯·弗内斯为美国空军设计的头戴式显示器
托马斯·弗内斯为美国空军设计的头戴式显示器The Super Cockpit托马斯·弗内斯为美国空军设计的头戴式显示器The Super Cockpit

而世界上第一个商用的头戴式显示器出现在1995年，由美国Forte Technologies Incorporated.发布的Forte VFX-1 ，售价$ 599美元。而日本Sony公司在1997年也在美国市场上发布了一款名为Glasstron的头戴式显示器，距今已有近20年。不知道Sony公司前不久将Project Morpheus正式命名为PlayStation VR的头戴式显示器效果有大的飞跃？

世界上第一台商用头戴式显示器Forte VFX-1 世界上第一台商用头戴式显示器Forte VFX-1
Forte VFX-1配备的手持控制器Forte VFX-1配备的手持控制器
1997年Sony公司发布的Glasstron1997年Sony公司发布的Glasstron
2014年Sony公司发布的Project Morpheus2014年Sony公司发布的Project Morpheus

最近这两年各种VR眼镜、虚拟现实头盔如智能手机一般不断地推陈出新，如Google推出的 Cardboard，更是将VR眼镜的体验门槛拉倒了贫困线以下！估计国内的硬纸板的造纸市场也跟着迎来了一批投资热吧？

Google公司推出用纸板做的Cardboard VR眼镜Google公司推出用纸板做的Cardboard VR眼镜

其实我们从Sony公司这近20年间隔的两代产品可以看出来，头戴式显示器的发展除了名字变成了“VR眼镜”和“虚拟现实头盔”之外，在交互方式上并没有重大突破，无非也就是显示器的分辨率更高一些，传感器精度更高一些。那么究竟是什么又开启了“VR元年”呢？是用户需求已经到了呼唤下一代交互方式了吗？还是当下资本市场的滚滚热钱在寻觅下一个互联网、B2B、SNS、O2O？

资本市场的介入其实对于一个行业都是一支强心剂，甚至说是兴奋剂，能加速行业发展的同时，也能加速淘汰行业中的“差品”和“伪需求”。成功的案例比比皆是，失败的案例更是哀鸿遍野。

那么虚拟现实行业的“真需求”是什么？在什么样的情况下人类会需要去虚拟一个现实的世界？我个人总结应该有以下这几类的世界：要么暂时无法达到，要么太过危险，要么付出成本太高。

暂时无法达到的世界，比如游戏中的世界、科幻电影中的世界；还有只是空间上我们暂时无法到达的世界，比如探索一下太空，或者在中国观看一场美国正在进行的NBA比赛（当然NBA比赛从1994年在中国就开始直播了）。当然还有推动互联网向前发展的色情行业，不过不知道是不是也应该把这个也列入危险或者高成本一类呢？

NextVR 在2015年开始用双摄像头VR技术开始转播体育赛事和演唱会等娱乐活动
通过双摄像头拍摄和传输，佩戴VR眼镜可以得到身临其境的立体观赛效果通过双摄像头拍摄和传输，佩戴VR眼镜可以得到身临其境的立体观赛效果

去年Apple Music与VR工作室VRSE联合为U2乐队打造了一款360度虚拟现实音乐视频《Song for Someone》。用户通过佩戴VR头盔可以体验U2乐队的现场表演，同时，佩戴立体声耳机甚至可以体验不同位置视角的声音效果变化。

VRSE支持谷歌Cardboard VR眼镜体验360°全景现场 VRSE支持谷歌Cardboard VR眼镜体验360°全景现场
U2乐队在VRSE中为观众呈现一场真实的现场表演U2乐队在VRSE中为观众呈现一场真实的现场表演

太过于危险的世界，比如煤矿、油田、天然气、电力和化工等领域；这一类行业的工作环境和工作设备一般都具有较高的危险性，一旦有任何的操作失误或疏忽都容易引发重大事故。所以利用虚拟现实技术帮助这一类行业用户进行新工人的技术培训、模拟设备操作维修、编制模拟应急预案等工作，能让工人在几近真实的环境下熟练操作，将会大大降低实际工作中的危险系数。

比如还有士兵的战争训练，如果跳伞，作战模拟等这些在真实战场具有很大危险性，如果借助虚拟现实技术，既可以沉浸式的体验真实战场环境，又能保证士兵的人身安全。

士兵佩戴VR眼镜在鼠笼式装置中进行作战训练士兵佩戴VR眼镜在鼠笼式装置中进行作战训练
士兵佩戴VR眼镜进行伞降作战训练士兵佩戴VR眼镜进行伞降作战训练

需要付出成本过高成本的世界，制造业中生产一个物理模型的成本高昂的行业，如航空、航天、军工、汽车等大型制造业；这些企业的共同特点就是生产物理样机和生产时间都非常的宝贵，航空飞行器、飞机、轮船或汽车在量产前，都要进行各种可靠性验证，可是如果真的制造一台真实的物理样机的经济成本和时间成本都是非常巨大的。这个时候引入虚拟现实技术来帮助进行一些科学化的验证工作，既可以大大减少这一类物理样机制作，又能在生产之前对产品进行全方位验证和评估，从而降低成本，缩短产品的研发周期。

利用虚拟现实技术进行人机工程学验证利用虚拟现实技术进行人机工程学验证

实际上，早在上个世纪波音777飞机的设计研发过程中就引入了全程无纸化设计的理念，所有的飞机设计内容都采用3D立体绘图，也就是我们所说的CAD，只不过他用的是法国达索集团的工业设计软件CATIA。所以说，波音 777 飞机的设计过程就是 VR 技术的应用典型实例。波音 777 飞机由 300 万个零件组成，所有的设计在一个由数百台工作站组成的虚拟环境中进行，设计师戴上VR头盔后，可以在虚拟的“飞机”中进行漫游体验，审视“飞机”的各项设计指标。

波音777飞机的3D模型

再后来随着计算机技术的发展，CAD计算机辅助设计、CAE计算机辅助分析、CAM计算机辅助制造，早已在这些行业有着深入的应用。汽车制造业也是同样的道理，有很多汽车设计，都是借助虚拟现实技术来进行前期样机的设计评测的。这些技术也和虚拟现实技术有着千丝万缕的联系。

法国PSA Peugeot Citroen公司利用虚拟现实技术验证汽车设计法国PSA Peugeot Citroen公司利用虚拟现实技术验证汽车设计

在看过这么多行业的应用之后，我们不难发现，其实虚拟现实硬件技术早在很多年前就已经较为成熟，只是没有在民用市场被大规模的应用罢了，所以早些年提到虚拟现实、VR技术，往往都被打上“黑科技”（那个时候还没“黑科技”这个词吧？）的标签。那黑科技什么时候才能走进寻常百姓家呢，关键要看内容！3D电视发展了这么久，也走进寻常百姓家了，请问在家经常使用3D电视功能，带3D眼镜看电视的同学请举手，看没人举手吧！没有内容，看什么？

之前还看到知乎上有人说：“内容倒是不急，因为现在硬件平台和内容分发渠道都还没有建立起来，你内容太早做出来也没用。”关于这个说法，我是持相反意见的，虽然不能说这个观点本末倒置，但是你看电影行业发展这么多年，从业者们在最开始是等着电影院线和荧幕数量发展起来才开始拍电影的吗？有了内容自然就会去找更适合内容体验的硬件设备。

如果说早些年跟虚拟现实沾边儿的技术如野草般肆意疯长，那么经过这些年的技术发展和经验的积淀，如今跟虚拟现实沾边儿的词儿都如同用飞机撒了化肥的野草，请自行脑补吧！其实无论我们谈什么行业的发展都绕不开技术导向还是需求导向的问题，一项技术的发展在其初期，一定是技术导向的，因为技术成熟了，很多天马行空的想法可以落地了，站在风口浪尖的技术弄潮儿们百家争鸣献计献策。但是，想要让一项技术落地，生根发芽，必须就要回到需求导向。你的技术再牛，我没需求，他没需求，你给谁用？

所以说在科技圈生辰八字也很重要，生早了技术不成熟，资源匮乏，或者赶上个瘟疫霍乱大饥荒，要么直接饿死病死，要么苟延残喘几年后夭折。早些年出生的PDA就是这样的命运。而“虚拟现实”是一个早产儿，出生了这么多年一直在数九隆冬腊月天中营养不良的活着，最近这些年春天来了，开始过上好日子了，吃得饱穿得暖了，我们擦亮眼等着看吧！

作者：世界两侧
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来源：知乎
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