虛擬現實的前世今生與未來

苗千

永遠熱鬧的硅谷不缺資金，需要的是概念、炒作和新產品。那么，對于很多人來說，只聽說沒見過的虛擬現實設備能夠帶給人怎樣的體驗？虛擬現實技術又可能會怎樣改變人們的生活？

虛擬現實又一次成為硅谷的技術精英們所熱衷的焦點。2016年被認為是虛擬現實爆發的一年，估計有1200萬套不同款式的虛擬現實設備被推向了市場。虛擬現實成為硅谷乃至全世界的技術焦點并非沒有預兆，2014年大名鼎鼎的社交網絡公司Facebook收購了虛擬現實技術公司Oculus，就被很多人認為是虛擬現實熱潮來臨的預兆。

虛擬現實是一種欺騙人的感官藝術，在加入了科技成分、迅速與互聯網融合之后，盡管它的最終形態還不明朗，卻也已經足夠讓人興奮。早在電子技術出現之前，人類就已經開始嘗試虛擬現實，試圖通過欺騙人們的感官（主要是視覺和聽覺）來營造一個虛擬的世界。在這個世界里，并不一定要遵守現實世界的規則——從這個角度來說，劇場和電影院都可以算是營造虛擬現實的場所。

美國工程師埃德溫·林克（右）站在他發明的林克飛行模擬器前。左邊是飛行員查爾斯·林德伯格的遺孀安妮

早期的虛擬現實機器與人們的日常生活并沒有太大關系，更多是被軍方采用為訓練設備。在20世紀20年代，美國工程師埃德溫·林克（Edwin Link）發明了世界上第一個飛行模擬器，用來訓練飛行員。在1957年，一個名為“Sensorama”的多媒體虛擬現實劇院出現了，觀眾們在一個封閉的包廂里坐在可以旋轉的椅子上，聞著特殊的氣味觀看立體影像，這種設備在1962年還成功申請了專利。

到了20世紀60年代，美國Philco公司的工程師們首次發明了頭戴式的被命名為“Headsight”的虛擬現實設備，但它并非為大眾所設計，而是為直升機飛行員所開發。為了保證飛行安全，他們在直升機底部安裝了攝像頭，讓飛行員在夜間飛行時也可以通過這個設備看清周圍的環境。在1968年，美國計算機科學家、圖靈獎得主伊凡·蘇澤蘭（Ivan Sutherland）發明了世界上第一款與電腦直接相連的虛擬現實設備，讓佩戴者可以看到一個虛擬的世界。但是這款設備太重，被戴在頭上時，甚至還需要一個懸掛設備來減輕人的負擔。到了20世紀70年代，麻省理工學院研究的一款交互式多媒體設備則可以讓用戶產生在虛擬的Aspen小鎮中行走的感覺。

虛擬現實真正進入大眾的視野要到20世紀90年代，一個重要的原因就在于美國電腦科學家杰倫·拉尼爾（Jaron Lanier）發明了“虛擬現實”（Virtual Reality）這個詞，并把它與電腦技術緊密結合在一起。因此通常人們也認為拉尼爾是人工智能技術的創始人。這個概念出現之后，在20世紀90年代，從美國開始，第一次虛擬現實的熱潮開始了。工程師們把一系列虛擬現實設備推向市場，但是當廣告所掀起的熱潮退去，人們發現這些設備與其在廣告中所宣傳的效果相去甚遠，又迅速對它失去興趣，這股熱潮又匆匆結束。

現在，虛擬現實技術再一次成為焦點，與20世紀90年代的情形已經大不相同。盡管工程師們不愿意過多地使用“虛擬現實”這樣科幻色彩過于濃厚，容易讓人產生過高期待的詞，而寧愿使用聽起來更為低調的“虛擬環境”（Virtual Environment），而實際上，在上一輪技術熱潮中很多還只能處于幻想中的技術如今已經成為現實，這也使最新的虛擬現實設備的效果遠非之前的任何設備可以相比——虛擬現實設備可以說是人類硬件技術、軟件技術、半導體工藝、人工智能和網絡技術全面發展的集中展現。

一切都并非是一蹴而就。更高的分辨率，更快的幀率（每秒鐘看到的畫面幀數），更好的光學效果，更短的滯后時間，這一切都是依靠幾十年的技術積累逐漸實現的。Facebook公司的CEO馬克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）認為，每隔10到15年，就會出現一款新產品徹底顛覆人們的生活：最初是互聯網的誕生，隨后出現了智能手機與社交網絡，而每一樣新產品的產生都是建立在之前產品的基礎之上。以此類推，虛擬現實設備理應成為下一代根本改變人們生活方式的產品。

目前所流行的頭戴式虛擬現實設備要為用戶提供“浸入式”（Immersion）的體驗，即讓用戶完全忘記周圍的真實環境從而進入到設備所營造出的虛擬環境之中，這對于虛擬現實設備的運算能力是一個極大的考驗。從根本上來說，能夠達到這樣的計算能力是受惠于摩爾定律幾十年來持續生效所起到的效果。戈登·摩爾（Gordon Moore）在1975年預測，集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔24個月便會增加一倍。正是在過去幾十年以來，半導體技術的發展始終大致遵守著摩爾定律，才使電子設備的運算能力不斷提升，使人類有能力利用電子技術制造出足以迷惑感官的視覺與聽覺效果。

目前在可穿戴虛擬現實設備的市場中，逐漸分化出兩種產品：一種產品需要與專門用于支持虛擬現實設備的臺式計算機相連，借助臺式計算機進行運算，耗能比較大，而且由于必須與計算機相連，使用這種設備的用戶行動會受到限制，設備與計算機的連線也有可能成為安全隱患。而另一種產品則無須與外接設備相連，自身就可以完成運算。由于電源和尺寸的原因，這類產品的計算能力必然會受到影響，同時還要考慮發熱等因素對用戶造成的影響——這種產品類型的分化很容易讓人聯想起20世紀80年代初計算機產業興起時，計算機架構的演進同樣也出現了類似的“耗能大、計算能力強、結構越來越復雜”與“耗能少、計算能力相對較弱、結構始終保持簡單”的兩種研究方向，前者逐漸演變為功能強大的大型計算機，而后者則逐漸演變為各種可以隨身攜帶的移動通信設備。

虛擬現實設備需要做的事比普通計算機更多。要營造出一個虛擬環境，最重要的就是計算生成看上去真人大小的畫面。虛擬現實設備產生出虛擬環境與利用集成開發環境（IDE）設計電腦游戲的背景畫面類似，但是要求更高。因為虛擬畫面在距離用戶眼睛只有幾厘米的屏幕上顯示，像素被放大，因此對于畫面的質感、立體感、分辨率和亮度的要求都極高。另外，虛擬畫面還必須隨著用戶身體、頭部和眼球的運動而隨之變化。

在一個虛擬的環境中，要讓用戶有浸入感，感覺自己也成為虛擬環境的一部分，這種虛擬與交互被稱為“臨場感”（Telepresence）。想要達到這種程度的體驗，虛擬現實設備必須同時滿足信息的深度與感官體驗的維度兩方面的要求：圖像的清晰度和復雜程度，聲音信號的復雜程度，乃至視覺和聽覺，還有觸覺等各種感官感受的體驗與反饋，都需要滿足人的最低生理需求。

其中最重要的是視覺體驗，人類的視覺系統與負責人自身平衡感和空間感的前庭系統緊密相連。研究表明，人類對于畫面滯后時間（Latency）的容忍極限是50毫秒，如果用戶頭部和眼球運動與所看到的畫面滯后時間超過50毫秒，就可能令用戶產生強烈不適的感覺。因此，所有虛擬現實設備的滯后時間都必須限制在50毫秒以內。畫面的轉換也同樣重要，要想讓用戶觀看屏幕產生出身臨其境的感受，就要求虛擬現實設備屏幕的幀數足夠，每秒至少呈現25到30幀復雜、豐富、真實的畫面以保持流暢，這都要求虛擬現實設備有極強的計算能力。

在2016年上市的虛擬現實設備中，其中三款產品最吸引人關注：Oculus Rift，HTC Vive，與微軟推出的HoloLens。前兩者都屬于“虛擬現實”設備，后者則屬于“增強現實”（Augmented Reality）設備。Oculus和HTC開發的虛擬現實設備，都需要與電腦相連接，主要借助電腦圖形運算能力工作。這些頭戴設備中都安裝著數十個傳感器，用來感受用戶頭部哪怕是0.1度的轉動，同時這些設備也都有多個外置攝像頭，隨時探測用戶所處的環境和用戶動作，從而命令電腦的圖形處理器產生圖像。用戶每走出一步，轉動一下頭，哪怕是轉動一下眼球，在虛擬世界中也就可以及時產生出相應的動作和畫面乃至聲音。

要達到這樣的目標，與其說是虛擬現實技術的突破，不如說是在摩爾定律的催動下，計算機的運算速度不斷攀升，硬件的集成度不斷提高，讓很多此前根本無法實現的目標成為現實。以前電腦工程師們為了獲得用戶在現實環境中的位置，不得不首先在周圍尋找到一個參考點，然后通過設備發射的超聲波信號或是電磁信號進行探測來完成測距，而現在只要通過頭戴設備的外置攝像頭獲得的圖像就可以實時完成測距計算。大多虛擬現實設備的價格相對低廉，Oculus Rift和HTC Vive兩款產品分別只賣到500多美元和700多美元的大眾消費品價位。

與之相比，微軟開發的增強現實設備HoloLens，看上去是一款透明的塑料眼鏡，卻無須借助任何外部計算機的計算能力，把一切所需的硬件都集合在了貌不驚人的設備之內，3000美元的售價也顯示了它的與眾不同。HoloLens實際上是把一個全息投影的電腦集合在一個頭戴設備中，與虛擬現實設備讓用戶完全沉浸在虛擬的環境中不同，增強現實的HoloLens相當于把現實場景當作一塊畫布，與現實場景相結合，在用戶的視野中投射只有用戶能夠感知到的虛擬物體多維度、多色彩的全息景象。

同虛擬現實設備一樣，HoloLens在內部同樣布置了一系列的傳感器，中央處理器（CPU）和圖像處理器（GPU）。微軟宣稱HoloLens的計算能力比一個普通筆記本電腦的計算能力還要強大，它還集成了一個內部測量單元，一個感知光線的傳感器，一個用來測量深度的傳感器，4個用來感知周圍環境的攝像頭。而在內部，則應用了24核的全息投影處理器（Holo-processor），24個DSP處理器。所有的這些部件總共由超過6500萬個邏輯門組成，而其總功率居然可以保持在10瓦特以下，可以說是現代半導體產業的代表作。

除了硬件標準的不斷攀升，虛擬現實與增強現實設備的再次興起與不斷進化，也離不開人類在軟件領域，尤其是圖形學領域的進步。虛擬現實設備的普及，也必定會把人工智能的研究推向一個新的層次。在第一部由計算機利用圖形學技術制作的動畫片《玩具總動員》中，所有的角色都只有光滑的表面，而在最近多部由電腦制作的動畫片里，其中的虛擬形象已經可以擁有蓬松的毛發，并可以隨著角色的動作任意擺動。電腦制作的虛擬形象開始擁有越來越細膩的皮膚和復雜的面部表情，這都是計算機圖形學的發展所帶來的成果，而這些技術也都將被應用到虛擬現實技術之中。

人臉識別、語音識別，這些技術的發展也都對虛擬現實設備與用戶之間的相互交流起到至關重要的作用。目前虛擬現實和增強現實設備都只能實現與用戶的簡單交流（例如設備可以識別出用戶用手指點擊虛擬環境中的物品），但是更為復雜的變化，尤其是識別人類面孔，判斷人類的表情，還有進一步識別人類的語音，分析其中的確切含義，并理解人類語言中的隱喻，這些可以應用于虛擬現實技術的重要功能都要依賴人工智能技術的進一步發展。

硅谷的技術精英與資本急于讓人們相信，虛擬現實設備將會如家庭電腦和智能手機一樣迅速走進人們的日常生活，并再一次改變人們的生活方式，但是一些問題至今仍然沒有答案。帶給人類新奇感受的虛擬設備之所以能夠出現，是受益于摩爾定律，讓半導體器件的集合程度不斷增強，電子設備的運算能力隨之提高，但摩爾定律已經開始呈現即將失效的跡象，一旦半導體器件的集成程度達到極限，也就意味著虛擬現實設備的表現很難再有大幅提升，對人們的吸引力也可能會逐漸消失。摩爾定律的失效也意味著在未來虛擬現實設備的成本將始終維持在較高的水準之上，而無法再現當年家用電腦價格一降再降最終成為普通家用電器的過程。為了達到虛擬現實設備對于電腦圖形計算能力的要求，大多數家用電腦用戶可能都需要升級自己的電腦配置，這些額外的開支也會影響虛擬現實設備用戶的熱情。

除了廣告宣傳之外，起碼在目前，虛擬現實設備仍然不是人們日常生活的必備產品。除了少數的軍事和醫療訓練應用之外，絕大多數虛擬現實設備都被應用于電腦游戲領域，并沒有解決人們生活中的真正問題。另一方面，長期佩戴虛擬現實設備對人的視力和其他感官、對人運動能力的影響至今仍然缺乏令人信服的研究成果。人工智能技術的創始人拉尼爾擔心，開發虛擬現實設備耗資巨大，這個巨大的市場很可能最終被幾家巨頭公司所牢牢把握，而虛擬現實設備需要收集用戶大量的生活數據，這些數據如果被商業公司所掌握，如何利用這些用戶數據，也會涉及一些商業道德問題。

在虛擬現實技術再次爆發的第一年，談論這項技術以及市場的未來難免為時過早，一切才剛剛開始。在接下來的一段時間里，幾家大公司的虛擬現實設備也會相繼登場，必將帶給人們完全不同的感受，更加激發人們的想象力，讓我們拭目以待。

（本文寫作參考了Oculus V、HTC和微軟公司在網絡上公布的相關信息）