虚拟现实的前世今生与未来
永远热闹的硅谷不缺资金，需要的是概念、炒作和新产品。那么，对于很多人来说，只听说没见过的虚拟现实设备能够带给人怎样的体验？虚拟现实技术又可能会怎样改变人们的生活？
虚拟现实又一次成为硅谷的技术精英们所热衷的焦点。2016年被认为是虚拟现实爆发的一年，估计有1200万套不同款式的虚拟现实设备被推向了市场。虚拟现实成为硅谷乃至全世界的技术焦点并非没有预兆，2014年大名鼎鼎的社交网络公司Facebook收购了虚拟现实技术公司Oculus，就被很多人认为是虚拟现实热潮来临的预兆。
虚拟现实是一种欺骗人的感官艺术，在加入了科技成分、迅速与互联网融合之后，尽管它的最终形态还不明朗，却也已经足够让人兴奋。早在电子技术出现之前，人类就已经开始尝试虚拟现实，试图通过欺骗人们的感官（主要是视觉和听觉）来营造一个虚拟的世界。在这个世界里，并不一定要遵守现实世界的规则——从这个角度来说，剧场和电影院都可以算是营造虚拟现实的场所。
早期的虚拟现实机器与人们的日常生活并没有太大关系，更多是被军方采用为训练设备。在20世纪20年代，美国工程师埃德温·林克（Edwin Link）发明了世界上第一个飞行模拟器，用来训练飞行员。在1957年，一个名为“Sensorama”的多媒体虚拟现实剧院出现了，观众们在一个封闭的包厢里坐在可以旋转的椅子上，闻着特殊的气味观看立体影像，这种设备在1962年还成功申请了专利。
到了20世纪60年代，美国Philco公司的工程师们首次发明了头戴式的被命名为“Headsight”的虚拟现实设备，但它并非为大众所设计，而是为直升机飞行员所开发。为了保证飞行安全，他们在直升机底部安装了摄像头，让飞行员在夜间飞行时也可以通过这个设备看清周围的环境。在1968年，美国计算机科学家、图灵奖得主伊凡·苏泽兰（Ivan Sutherland）发明了世界上第一款与电脑直接相连的虚拟现实设备，让佩戴者可以看到一个虚拟的世界。但是这款设备太重，被戴在头上时，甚至还需要一个悬挂设备来减轻人的负担。到了20世纪70年代，麻省理工学院研究的一款交互式多媒体设备则可以让用户产生在虚拟的Aspen小镇中行走的感觉。
虚拟现实真正进入大众的视野要到20世纪90年代，一个重要的原因就在于美国电脑科学家杰伦·拉尼尔（Jaron Lanier）发明了“虚拟现实”（Virtual Reality）这个词，并把它与电脑技术紧密结合在一起。因此通常人们也认为拉尼尔是人工智能技术的创始人。这个概念出现之后，在20世纪90年代，从美国开始，第一次虚拟现实的热潮开始了。工程师们把一系列虚拟现实设备推向市场，但是当广告所掀起的热潮退去，人们发现这些设备与其在广告中所宣传的效果相去甚远，又迅速对它失去兴趣，这股热潮又匆匆结束。
现在，虚拟现实技术再一次成为焦点，与20世纪90年代的情形已经大不相同。尽管工程师们不愿意过多地使用“虚拟现实”这样科幻色彩过于浓厚，容易让人产生过高期待的词，而宁愿使用听起来更为低调的“虚拟环境”（Virtual Environment），而实际上，在上一轮技术热潮中很多还只能处于幻想中的技术如今已经成为现实，这也使最新的虚拟现实设备的效果远非之前的任何设备可以相比——虚拟现实设备可以说是人类硬件技术、软件技术、半导体工艺、人工智能和网络技术全面发展的集中展现。
一切都并非是一蹴而就。更高的分辨率，更快的帧率（每秒钟看到的画面帧数），更好的光学效果，更短的滞后时间，这一切都是依靠几十年的技术积累逐渐实现的。Facebook公司的CEO马克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）认为，每隔10到15年，就会出现一款新产品彻底颠覆人们的生活：最初是互联网的诞生，随后出现了智能手机与社交网络，而每一样新产品的产生都是建立在之前产品的基础之上。以此类推，虚拟现实设备理应成为下一代根本改变人们生活方式的产品。
目前所流行的头戴式虚拟现实设备要为用户提供“浸入式”（Immersion）的体验，即让用户完全忘记周围的真实环境从而进入到设备所营造出的虚拟环境之中，这对于虚拟现实设备的运算能力是一个极大的考验。从根本上来说，能够达到这样的计算能力是受惠于摩尔定律几十年来持续生效所起到的效果。戈登·摩尔（Gordon Moore）在1975年预测，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔24个月便会增加一倍。正是在过去几十年以来，半导体技术的发展始终大致遵守着摩尔定律，才使电子设备的运算能力不断提升，使人类有能力利用电子技术制造出足以迷惑感官的视觉与听觉效果。
目前在可穿戴虚拟现实设备的市场中，逐渐分化出两种产品：一种产品需要与专门用于支持虚拟现实设备的台式计算机相连，借助台式计算机进行运算，耗能比较大，而且由于必须与计算机相连，使用这种设备的用户行动会受到限制，设备与计算机的连线也有可能成为安全隐患。而另一种产品则无须与外接设备相连，自身就可以完成运算。由于电源和尺寸的原因，这类产品的计算能力必然会受到影响，同时还要考虑发热等因素对用户造成的影响——这种产品类型的分化很容易让人联想起20世纪80年代初计算机产业兴起时，计算机架构的演进同样也出现了类似的“耗能大、计算能力强、结构越来越复杂”与“耗能少、计算能力相对较弱、结构始终保持简单”的两种研究方向，前者逐渐演变为功能强大的大型计算机，而后者则逐渐演变为各种可以随身携带的移动通信设备。
虚拟现实设备需要做的事比普通计算机更多。要营造出一个虚拟环境，最重要的就是计算生成看上去真人大小的画面。虚拟现实设备产生出虚拟环境与利用集成开发环境（IDE）设计电脑游戏的背景画面类似，但是要求更高。因为虚拟画面在距离用户眼睛只有几厘米的屏幕上显示，像素被放大，因此对于画面的质感、立体感、分辨率和亮度的要求都极高。另外，虚拟画面还必须随着用户身体、头部和眼球的运动而随之变化。
在一个虚拟的环境中，要让用户有浸入感，感觉自己也成为虚拟环境的一部分，这种虚拟与交互被称为“临场感”（Telepresence）。想要达到这种程度的体验，虚拟现实设备必须同时满足信息的深度与感官体验的维度两方面的要求：图像的清晰度和复杂程度，声音信号的复杂程度，乃至视觉和听觉，还有触觉等各种感官感受的体验与反馈，都需要满足人的最低生理需求。
其中最重要的是视觉体验，人类的视觉系统与负责人自身平衡感和空间感的前庭系统紧密相连。研究表明，人类对于画面滞后时间（Latency）的容忍极限是50毫秒，如果用户头部和眼球运动与所看到的画面滞后时间超过50毫秒，就可能令用户产生强烈不适的感觉。因此，所有虚拟现实设备的滞后时间都必须限制在50毫秒以内。画面的转换也同样重要，要想让用户观看屏幕产生出身临其境的感受，就要求虚拟现实设备屏幕的帧数足够，每秒至少呈现25到30帧复杂、丰富、真实的画面以保持流畅，这都要求虚拟现实设备有极强的计算能力。
在2016年上市的虚拟现实设备中，其中三款产品最吸引人关注：Oculus Rift，HTC Vive，与微软推出的HoloLens。前两者都属于“虚拟现实”设备，后者则属于“增强现实”（Augmented Reality）设备。Oculus和HTC开发的虚拟现实设备，都需要与电脑相连接，主要借助电脑图形运算能力工作。这些头戴设备中都安装着数十个传感器，用来感受用户头部哪怕是0.1度的转动，同时这些设备也都有多个外置摄像头，随时探测用户所处的环境和用户动作，从而命令电脑的图形处理器产生图像。用户每走出一步，转动一下头，哪怕是转动一下眼球，在虚拟世界中也就可以及时产生出相应的动作和画面乃至声音。
要达到这样的目标，与其说是虚拟现实技术的突破，不如说是在摩尔定律的催动下，计算机的运算速度不断攀升，硬件的集成度不断提高，让很多此前根本无法实现的目标成为现实。以前电脑工程师们为了获得用户在现实环境中的位置，不得不首先在周围寻找到一个参考点，然后通过设备发射的超声波信号或是电磁信号进行探测来完成测距，而现在只要通过头戴设备的外置摄像头获得的图像就可以实时完成测距计算。大多虚拟现实设备的价格相对低廉，Oculus Rift和HTC Vive两款产品分别只卖到500多美元和700多美元的大众消费品价位。
与之相比，微软开发的增强现实设备HoloLens，看上去是一款透明的塑料眼镜，却无须借助任何外部计算机的计算能力，把一切所需的硬件都集合在了貌不惊人的设备之内，3000美元的售价也显示了它的与众不同。HoloLens实际上是把一个全息投影的电脑集合在一个头戴设备中，与虚拟现实设备让用户完全沉浸在虚拟的环境中不同，增强现实的HoloLens相当于把现实场景当作一块画布，与现实场景相结合，在用户的视野中投射只有用户能够感知到的虚拟物体多维度、多色彩的全息景象。
同虚拟现实设备一样，HoloLens在内部同样布置了一系列的传感器，中央处理器（CPU）和图像处理器（GPU）。微软宣称HoloLens的计算能力比一个普通笔记本电脑的计算能力还要强大，它还集成了一个内部测量单元，一个感知光线的传感器，一个用来测量深度的传感器，4个用来感知周围环境的摄像头。而在内部，则应用了24核的全息投影处理器（Holo-processor），24个DSP处理器。所有的这些部件总共由超过6500万个逻辑门组成，而其总功率居然可以保持在10瓦特以下，可以说是现代半导体产业的代表作。
除了硬件标准的不断攀升，虚拟现实与增强现实设备的再次兴起与不断进化，也离不开人类在软件领域，尤其是图形学领域的进步。虚拟现实设备的普及，也必定会把人工智能的研究推向一个新的层次。在第一部由计算机利用图形学技术制作的动画片《玩具总动员》中，所有的角色都只有光滑的表面，而在最近多部由电脑制作的动画片里，其中的虚拟形象已经可以拥有蓬松的毛发，并可以随着角色的动作任意摆动。电脑制作的虚拟形象开始拥有越来越细腻的皮肤和复杂的面部表情，这都是计算机图形学的发展所带来的成果，而这些技术也都将被应用到虚拟现实技术之中。
人脸识别、语音识别，这些技术的发展也都对虚拟现实设备与用户之间的相互交流起到至关重要的作用。目前虚拟现实和增强现实设备都只能实现与用户的简单交流（例如设备可以识别出用户用手指点击虚拟环境中的物品），但是更为复杂的变化，尤其是识别人类面孔，判断人类的表情，还有进一步识别人类的语音，分析其中的确切含义，并理解人类语言中的隐喻，这些可以应用于虚拟现实技术的重要功能都要依赖人工智能技术的进一步发展。
硅谷的技术精英与资本急于让人们相信，虚拟现实设备将会如家庭电脑和智能手机一样迅速走进人们的日常生活，并再一次改变人们的生活方式，但是一些问题至今仍然没有答案。带给人类新奇感受的虚拟设备之所以能够出现，是受益于摩尔定律，让半导体器件的集合程度不断增强，电子设备的运算能力随之提高，但摩尔定律已经开始呈现即将失效的迹象，一旦半导体器件的集成程度达到极限，也就意味着虚拟现实设备的表现很难再有大幅提升，对人们的吸引力也可能会逐渐消失。摩尔定律的失效也意味着在未来虚拟现实设备的成本将始终维持在较高的水准之上，而无法再现当年家用电脑价格一降再降最终成为普通家用电器的过程。为了达到虚拟现实设备对于电脑图形计算能力的要求，大多数家用电脑用户可能都需要升级自己的电脑配置，这些额外的开支也会影响虚拟现实设备用户的热情。
除了广告宣传之外，起码在目前，虚拟现实设备仍然不是人们日常生活的必备产品。除了少数的军事和医疗训练应用之外，绝大多数虚拟现实设备都被应用于电脑游戏领域，并没有解决人们生活中的真正问题。另一方面，长期佩戴虚拟现实设备对人的视力和其他感官、对人运动能力的影响至今仍然缺乏令人信服的研究成果。人工智能技术的创始人拉尼尔担心，开发虚拟现实设备耗资巨大，这个巨大的市场很可能最终被几家巨头公司所牢牢把握，而虚拟现实设备需要收集用户大量的生活数据，这些数据如果被商业公司所掌握，如何利用这些用户数据，也会涉及一些商业道德问题。
在虚拟现实技术再次爆发的第一年，谈论这项技术以及市场的未来难免为时过早，一切才刚刚开始。在接下来的一段时间里，几家大公司的虚拟现实设备也会相继登场，必将带给人们完全不同的感受，更加激发人们的想象力，让我们拭目以待。
（本文写作参考了Oculus V、HTC和微软公司在网络上公布的相关信息）
文 苗千