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虛擬現實引人類視覺大變革 巨頭搶入布局

未知 2019-05-30 11:47

最早的虛擬現實體驗機Sensorama

  早在50多年前,美國電影攝影師莫頓海利希(Morton Heilig)就發明了一臺叫Sensorama的機器,它就像現在的大型游戲機一樣,當我們把頭放進這臺機器里后,不僅會有3D的視覺,還能聞到氣味、聽到聲音。由于海利希以及機器自身的缺陷,例如沒有互動性,僅靠事先做好的畫面播放,因此Sensorama機器當時并沒有得到很好的反響。

  虛擬現實的早期應用

  頭戴顯示器的發展需回溯到上世紀60年代。1968年,擁有美國麻省理工學院博士學位的科學家伊凡蘇澤蘭(Ivan Sutherland),在實驗室里做了一個名為達摩克利斯劍的頭戴顯示器,這個顯示器用的是CRT顯示技術,可追蹤頭部的動作,往哪邊看就會有感應,可以實時計算眼睛看到的畫面。不過那時候計算機能力非常差,顯示的像素也非常低。蘇澤蘭當時還寫了一篇很有名的論文終極顯示,他設想未來的顯示器應該能夠達到分不清真實與虛擬。當我們戴上這個以后,就會看到另一個世界,在這個虛擬的世界里,我們的感覺都是真的,有點像《黑客帝國》描述的那樣。但實際上,即使是現在,我們離他的設想還很遠。

  至于頭戴式顯示器的思想,最早可追溯到1613年,伽利略時代就有一個頭盔望遠鏡的設計,通過這種方式可以看到遠處的東西就在眼前,也有很好的沉浸感。今天的虛擬現實技術頭盔Oculus跟這些早期頭戴顯示設備長得比較像,只是現在非常便宜了,以前這樣的設備非常昂貴,一般人接觸不到。2006年,東芝(Toshiba)公司出了這樣的一個設備,但設計上很失敗,戴上去像怪物一樣。2014年,一個名為Oculus的創新公司,讓虛擬現實重新火熱起來,這并非僅僅因為技術上的革命性突破,還因為其低廉的價格,讓普通民眾僅以300至350美元即可購買到開發版的頭戴顯示器。Facebook花費20億美元收購這家公司,也令人對其刮目相看。

  三星公司也設計出廉價的頭戴顯示器Gear VR,當把三星手機放到這個盒子里面就可以用。谷歌的紙盒眼鏡Cardboard則更便宜,我們甚至可以利用谷歌開放的設計圖,買兩個透鏡,用紙板自己動手做。谷歌主要推安卓手機,當手機裝上應用程序后,手機就會分成兩個屏幕,左右兩個眼睛可看到不一樣的畫面,產生立體的效果。當我們轉動的信息被手機的傳感器檢測到時,就可以看到互動的效果,但這個比Oculus的舒適度差一些,因為距離難以調節,加上計算能力手機要比PC機差很多,但它仍可獲得較好的沉浸感。

  虛擬現實技術:在現實中觸碰虛擬世界

  虛擬現實(Virtual Reality),簡稱VR,這兩個詞組合在一起看似矛盾,一個虛擬一個現實,但都在虛擬現實環境中體現,由計算機生成虛擬世界,人們通過虛擬現實系統進入到這個虛構的世界里。在這個世界里,我們可通過視覺、聽覺以及觸覺進行感知,也有人在研究嗅覺和味覺。

  虛擬現實有如下幾個特點:計算機生成、多通道感知、沉浸感以及想象力。當我們把虛擬現實頭戴顯示器放在眼前,即可進入到另一個世界。盡管一部電影也可能會帶來沉浸感,但是它沒有交互性。而在虛擬現實系統中,這種沉浸感有交互性,當我們頭動一下,即可看到不同的角度的場景。至于想象力方面,應該說這個虛擬的世界是我們構想出來的。它可以是現實世界的復制,比如開會,戴上頭盔之后,我們可能置身于舊金山一個會議室;也可以是想象出來的卡通世界,是你兒時從書本中看過的一個童話世界,現實中它根本不存在。

  虛擬現實系統主要包括如下幾個方面:首先是內容,它的核心是一個實時計算機圖形和仿真器,然后是用戶界面:一個輸入,一個輸出,這是非常簡單的關系,輸入主要是對應用戶的頭、眼睛、手以及整個身體動作的追蹤,當把這些身體的信息代入到虛擬現實世界里,身體如何動,系統一旦感知到,就會給予一個相應的反饋。

  以Oculus為例,虛擬現實系統的各個組成部分

  事實上,虛擬現實是多學科結合的領域。從學科角度來說,其核心是計算機圖形和仿真,此外還有計算機軟硬件、圖像與視覺、人工智能等技術,由于要用到視覺、觸覺、聽覺等多感知通道,還會涉及到光、聲、電、機械等。雖然Oculus已經設計得還算不錯,但戴十幾分鐘,眼睛仍可能會有點難受,還會頭暈。目前,全球頂尖學者都在研究人機工程問題,如何設計得更加舒適,當我們戴上眼鏡后,有人會有大腦被三維虛擬環境控制的感覺,這可能會帶來心理上的沖擊,因此虛擬現實的應用還會涉及到心理學、社會學等問題。

  虛擬的內容最初一般由建模師通過三維電腦軟件在屏幕上構建出來,例如,從一個簡單的模型開始漸漸構造出復雜的角色模型,在電腦上設計出來之后,再賦予它們動作,最后貼上皮膚的紋理,這樣就造出來一個虛擬的角色形象。還有一種虛擬內容,它不靠人工,而是靠一種特殊的相機全景相機。這個相機有很多鏡頭,可以把360度的畫面全部拍下來,數據也可以在虛擬現實中展現,這是將來一個重要的應用方向。兩會期間也有一些記者用到了這樣的攝像頭,配上虛擬現實的頭盔,我們可以從各個角度觀看,也可以把數據存下來放給其他的人看。

  當然頭盔并不是虛擬現實的唯一形式,還有很多其他形式,例如CAVE是通過投影儀構建的,可模擬四面墻或六面墻,每個墻都用立體投影儀投出來,帶上立體眼鏡就很有沉浸感,但造價非常高。1999年,我在浙江大學參與安裝過這樣的一套系統,當時設備耗費約250萬人民幣。還有環幕投影,造價相對低一點,在博物館、展覽館可看到,它應該算半沉浸式,因為整個視野沒有完全被覆蓋,當人轉過去以后,感覺又回到現實世界。

  虛擬現實技術可應用于游戲以及體育等方面

  接下來是輸入設備方面。輸入設備需要捕捉人的信號,怎么把人的動作信號帶到虛擬環境里去?最常用的設備是運動捕獲設備,例如這里的演員做一些動作,通過很多攝像頭拍下來,再把這個動作放到虛擬的角色上去。輸入設備又分兩種:一種是光學運動捕獲設備,相機加上紅外線,人身上有很多發光的點,靠計算機計算能力實時算出動作,但它有一個缺點就是容易被遮擋;另一個是慣性傳感設備,用戶身上裝了很多,手動一下就有一個慣性數據,可以算出角度。還有臉部動作捕獲,電影里會經常使用,以前是在臉上加很多點,但現在技術發展了很多,不用在臉上鋪點,而是直接用計算機視覺的算法來算,目前已經可做到實時。

  通過數據采集,電腦可快速合成虛擬圖像,在虛擬的環境里,我們可以參與不同情境。

  除了臉部模擬以外,還有一種數據手套,當戴上這個特殊的手套后,手活動時每個關節角度,可被手套感知到,如模擬手握杯子,通過一個力反饋設備給手部一個反饋力量,雖然沒有杯子,但通過設備施加的外力,我們可以感覺到拿了一個杯子樣的東西。目前這一領域仍有很多技術難點沒有突破。

  當我們帶上數據手套后,通過手套給予的刺激,我們即可感受到手里緊握的物體,它可能是一個杯子或者是球等

  總結一下,虛擬現實的本質是一種新的計算平臺、一種新的通訊平臺和交互界面。從計算機發展來看,最早是大型機,一個計算機占據整個房子。彼時人是渺小的,人需要適應計算機,后來個人電腦出現的時候,人類將電腦變得越來越小,等到手機出現的時候,我們可以隨時進行計算。虛擬現實應該是下一個新的計算平臺,不再是你感覺跟計算機的世界隔著個屏幕,而是以后你感覺計算機構造的世界跟現實世界相互融合,盡管目前還是通過屏幕的方式展現,以后就可能分不清在哪個世界里,這是一個發展趨勢,計算機將逐漸適應人的習慣。

  增強現實:一個同樣令人驚艷的技術

  有關虛擬現實和增強現實(Augmented Reality,AR)之間的關系,很多人可能并不能準確地區分它們,另外還有一個叫混合現實。混合現實是一個從真實世界到虛擬世界的過渡, 包含了虛擬現實和增強現實。增強現實已有很多代表性的產業發展,如谷歌眼鏡,但它不太成功。微軟也剛推出了增強現實眼鏡產品Hololens,賣得比較貴,大概3000美金,它們有一個共同的特點,就是半透明的,因為我們仍需要看到真實的現實情景,而以Oculus為代表的虛擬現實眼鏡前面則是不透光的,別人看不到你的眼睛,你也看不到周圍的東西,這是它們之間主要區別所在,但未來增強現實應用面更廣。

  一個有趣的增強現實情境,通過聽、視覺讓人身臨其境

  例如,當我們對著鏡子穿衣服時,可通過增強現實讓自己換上一件別的衣服或裙子,或合適的款式,這就是所謂的虛擬試衣。它還可應用于遠程會議,當戴上增強現實的眼鏡之后,我們可看到虛構的桌子以及從遠處傳過來的參會者影像,盡管它們置身于不同的空間,但此刻如同在同一個環境下討論問題。最近,微軟推出一個視頻,通過增強現實眼鏡,即使你的孩子不在身邊,在增強現實的情景里,他(她)可被置身于同一個房間,讓你感覺到小孩就在跟前。不過這方面現在做不到這么好,有一些概念性的成分,還有很多缺陷。增強現實還可用于汽車導航,如果我們看導航信息,需低頭看汽車面板,這樣可能會分心。利用增強現實技術,導航的信息直接顯示在擋風玻璃上,這樣就可以看到路面信息。

  虛擬現實的應用:未來前景無限

  虛擬現實除了可用于影視游戲等娛樂應用之外,在其他非娛樂的應用領域也前景廣闊。虛擬現實同樣也可用于虛擬試衣,這是阿里巴巴的Buy+計劃,今年3月剛推出概念,戴上虛擬現實的眼鏡之后,人們可通過虛擬模特身上的衣服來進行選擇和購買。很多汽車公司也開始利用虛擬現實眼鏡進行模擬駕駛,讓用戶體驗開車時的感受,但不能真的開到路上。此外,還可做虛擬旅游,戴上眼鏡后,可體驗以前從未去過的地方,身臨其境。此外,還可以虛擬看房或設計房子,我們可事先讓設計師設計一個虛擬圖景,通過體驗,我們還可以糾正需要改造的地方。

  日常生活體驗可對我們的大腦有影響,同樣虛擬的體驗也能影響大腦,因此虛擬現實還可用于心理治療,很多有抑郁癥的人,通過虛擬現實技術輔助治療可以得到一些改善。對于社交恐懼癥患者來說,他們平時不敢對很多人說話,在虛擬的世界,你知道這是假的,心理會放松防線,更容易跟其他人交流,從而逐漸提高社交能力。再比如,有很多人害怕蜘蛛,通過虛擬現實模擬,蜘蛛近在眼前,盡管你很難抗拒潛意識中的害怕,但是可以通過這種方式逐漸脫敏。恐高癥同樣可通過虛擬現實得到緩解。

  心理學家還用虛擬現實來進行其他治療,例如燒傷患者非常痛苦,尤其是給他換藥的時候,如果有醫生把虛擬現實技術用到他們身上,讓他戴上一個頭盔,看到一個冰涼的世界,大腦相應做出反應,疼痛感會減弱。在美國911恐怖襲擊之后,很多人心理創傷很大,通過虛擬現實技術,把患者帶回到當時的環境,這也是一個類似于脫敏的治療,從而使患者心理上得到疏解,目前證明可以起到比較明顯的效果。此外還有對自閉癥患者的治療,他們不愿跟人交流,難以親近,通過虛擬現實技術,讓他們在虛擬的世界里玩游戲,并逐漸接受自己在其中的角色,然后鍛煉跟人交往的技巧。研究發現治療前后患者大腦的活躍度有明顯改善,這說明虛擬現實起到了良好的作用。

  在醫療方面,虛擬現實還可用來訓練醫生。當前醫生培訓代價比較高,既缺少設備,同時人又非常多,我們可以通過虛擬現實設備,幫助醫生練習手術。例如,在虛擬的世界里,連接力反饋的設備可模仿一個手術刀,當手術刀碰到虛擬器官之后,會有一個力反饋,也會模擬器官的形變,通過這種方式醫生可以得到手術技能的鍛煉。

  對于學習和教育來說,虛擬現實也是非常有幫助的。通常來說,小孩對形象直觀的東西容易接受,通過虛擬現實技術,把一些比較抽象的東西,以直觀方式表現出來,這樣可提高他們的記憶能力和學習動機,通過這種方式他們既愿意學習,又覺得很好玩,此外也可以增強小孩子間的合作。

  總的來說,虛擬現實已經誕生50多年,由于以前成本太高,它最近才剛剛走近大眾。虛擬現實、增強現實它們之間相關,又各有特點,但核心都是以實時計算機圖形為主,應用也在不斷拓廣。通過與互聯網、機器人、人工智能以及大數據進一步結合,虛擬現實的未來應用會更廣泛。

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