虚拟现实技术VR（vr虚拟现实技术的发展）

2020年一场突如其来的疫情，让所有人的生活计划因此打乱，奥运会的延迟、谷歌取消年度开发者大会、亚马逊取消AI大会，高考也延迟了一个月。。。疫情笼罩之下，人类在自然界面前显得那么渺小，我们无法出门聚会、无法走亲访友，经济仿佛因此停滞，但是，疫情并没有让我们的生活变得无趣。

通过VR，我们在家可以走遍中国大部分旅游景点，VR看房让我们足不出户看房买房，5G VR让我们实现云办公，VR让我们看到很多距离我们千里之外的风景。

当我们谈到VR，首先想到的是现代化的电子设备——VR头显，越来越多新推出的电脑软件、游戏作品开始支持VR显示，VR头显仿佛成为潮流电子的代名词。然而，VR头显的概念和产品的诞生却有着超过100多年的悠远历史。

今天我们就来聊一聊VR头显的前世今生。

1838年：Charles Wheatstone的立体图原理

19世纪英国著名的物理学家查尔斯·惠斯通爵士（Charles Wheatstone），1838年首次发现并确定立体图原理（Principle of stereo graph），并因此被授予皇家学会皇家奖章，这项研究促使他创造了立体镜。



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图：查尔斯·惠斯通

查尔斯·惠斯通爵士的研究表明，把同一个物体从不同角度拍摄的两张略有不同的图片摆放在一起观看，人脑会感觉到物体的3D立体感。



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图：立体镜

此原理阐明了双目视觉的实现机制，在此理论基础上，查尔斯发明了一种由棱镜和镜子组成的器材——立体镜，从而使人可以从两张略有不同的二维照片中观察到立体的三维效果。



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图：立体镜

这一原理至今仍用于一些简易的VR产品，以及观察X射线和航空照相。但在该时期，VR技术仅限于光学技巧，并没有得到实际的应用。

1932年：Link Trainer林克训练器

1932年，世界上出现了第一个商业化的飞行模拟训练项目——林克训练器（Link Trainer）（俗称：林克机）。1929年，埃德温·林克发明了世界上最早的飞行模拟器。



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图：埃德温·林克

林克机将机身复制品与控件和马达结合，能够模拟出俯仰、滚转与偏航等飞行动作，从而帮助飞行员进行模拟训练。据说当时每台价格3500美元。



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图：林克训练器

在二战期间，林克机训练了超过50万名飞行员。中国人民解放军空军建军之初，也曾使用部分从国民党手中缴获的林克机训练飞行员。

直到上世纪70年代初期，仍有些国家的空军在使用这套设备。

1935年：斯坦利·G温鲍姆的小说《皮格马利翁的眼镜》

林克机面世后不久，1935年，科幻作家斯坦利·G温鲍姆（Stanley G.Weinbaum）在小说《皮格马利翁的眼镜》中描述了一款VR眼镜，能够同时模拟视觉、触觉、嗅觉、味觉等的VR设备。



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图：小说《皮格马利翁的眼镜》

最为令人惊叹的是，小说中的眼镜佩戴者甚至可以和画面中的世界发生交互行为，并影响镜中世界的历史进程。

因此，这副“皮格马利翁的眼镜”被认为是世界上最早的VR眼镜雏形，时至今日，小说所描述的场景依然是广大VR技术从业者孜孜不倦攀登的技术高峰。

1956年：Sensorama被誉为VR的原型机

电影摄影师Morton Heiling发明了名为Sensorama的仿真模拟器，并在1962年为这项技术申请了专利，这被誉为VR的原型机。



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图：Sensorama

这款设备是为增强电影观看体验而设计的，通过三面显示屏来实现空间感。虽然设备体型巨大，但却有很多功能，比如3D显示、3D立体声、振动座椅、模拟风吹的风扇，甚至还有气味生成器，而用户需要坐在椅子上将头探进设备内部，才能体验到沉浸感。

1960年：第一款头戴显示器Telesphere Mask

上述Sensorama的发明者Morton Heiling，在1960年发明了第一款头戴式显示器——Telesphere Mask，Morton Heiling将它定义为“个人用途的可伸缩电视设备”。



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图：Telesphere Mask

可以通过上图看出，Telesphere Mask的外观设计非常现代化，具备3D显示和立体声，但没有头部的位置跟踪系统，所以本质只是一个头戴式的显示器。

由于应用场景有限，3D电影制作费和设备成本高昂，Morton发明的Sensorama和Telesphere Mask最终都因商业化失败而告终，留给世人的只有Morton富有远见的畅想和产品概念。

1968年：第一款头戴虚拟现实设备Sutherland

1968年，计算机图形学之父、著名计算机科学家Ivan Sutherland设计了第一款头戴式虚拟现实设备——Sutherland。



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图：Ivan Sutherland

Sutherland的成功之处在于头显连接电脑，具备头部的位置跟踪系统，通过超声设备和机械轴，初步实现姿态检测功能，简单来说，就是当用户转动头部的时候，计算机会实时计算出新的图形，并显示出来。



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图：Sutherland

由于当时硬件技术的限制，Sutherland相当沉重，根本无法独立穿戴，必须在天花板上搭建支撑杆来悬挂，这一设计也被人们戏称为“达摩克利斯之剑”，最终未能走出实验室。

Sutherland的出现，标志着头戴式虚拟现实设备与头部位置追踪系统的问世，如今的虚拟技术在此基础上做改革创新，而Ivan Sutherland也因此被称为“虚拟现实之父”。

1989年：第一款商业化的VR产品eyephone

1984年，Atari虚拟现实研究室的前员工Jaron Lanier创办了VPL公司，并普及了Virtual Reality这个术语。1989年，VPL公司推出了一套商业化的虚拟现实产品——eyephone。



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图：eyephone

与众不同的是，VPL公司还推出了数据手套（Data Glove），最初只被作为PC的输入系统，此后与eyephone相结合，作为虚拟环境的互动方式。

受当时技术的制约，eyephone仅搭载低分辨率的LCD显示器，且计算机性能不足以支撑追踪肢体运动所需的图形渲染，用户体验和沉浸感都十分糟糕，且当时的售价高达9400美元。

90年代：VR的第一次热潮

到了90年代，VR迎来第一次热潮，在当时市场上出现很多类似的产品，和现在产品的外形非常相似。

世界著名科学家、两弹一星功勋奖章获得者钱学森先生对Virtual Reality的概念有一番深刻的洞见，比如对于VR的中文命名，以及该项技术的作用，以及对其未来发展的思考。



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图：钱学森关于VR的亲笔书信



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图：钱学森关于VR的亲笔书信

钱学森建议将Virtual Reality的中文翻译为“灵境”，他在信中写道：“我对灵境技术及多媒体的兴趣在于它能大大扩展人脑的知觉，因而使人进入前所未有的新天地，新的历史时代要开始了！”他认为，“灵境技术是继计算机技术革命之后的又一项技术革命。它将引发一系列震撼全世界的变革，一定是人类历史中的大事。”

90年代，日本游戏产业飞速发展，各大游戏公司把VR视为游戏业的一次改革创新的机会，争相推出自己的VR产品。

1995年：任天堂的Virtual Boy

1995年，任天堂发布第一款能够显示立体3D图形的游戏机。玩家可以像头戴式显示器一样使用游戏机，将头放在游戏机目镜上可以看到红色单色显示屏显示的游戏画面，游戏使用视差原理产生立体3D效果。



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图：任天堂的Virtual Boy

但Virtual Boy的面世被认为是完全的商业失败，它的失败被认为是由于其高昂的价格、单色的显示屏幕、不起眼的3D效果、缺乏真正的便携性、游玩其所导致的健康问题和其低质量的游戏。

1996年初，因为Virtual Boy未能达到销售量目标，任天堂停止了为Virtual Boy的游戏发行和生产。

21世纪的娱乐革命

步入21世纪，随着计算机性能、图形处理技术、动作捕捉技术的进步，直到2012年，VR才真正享受到计算机技术进步的红利。

2012年，17岁少年Palmer Luckey在自家车库通过研究拆解1970至2000年初的VR设备，制作出开发者版本的Rift头显，并将它推上众筹平台Kickstarter。



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图：Oculus Rift开发者版本（DK系列）

随后，Palmer Luckey成立了自己的公司Oculus，并在众筹平台上成功吸引了超过250万美元的资金，2014年更是被Facebook以20亿美元的天价收购。

同年，谷歌推出售价仅为5美元的VR头显——Cardboard，开启了移动VR的新时代。



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图：Google Cardboard谷歌纸盒VR眼镜

Cardboard能适配市面上大多数智能手机，在麦当劳、可口可乐等商业巨头的推动下，Cardboard红遍全球，也间接推动了三星Gear VR的发展。可以说，Cardboard的便携性和低价格，让更多人体验到VR的魅力。



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图：HTC VIVE

2015年，HTC与Valve合作开发的HTC VIVE头显正式发布。



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图：三星Gear VR

同年，三星Gear VR发布，继承了谷歌Cardboard的亲民路线，售价99美元，与三星手机绑定。



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图：Oculus rift

2016年，收购Oculus公司后的Facebook正式发售Oculus rift消费者版本，这是一款真正PC专用VR头显，价格599美元。扎克伯格说，2016年是消费级VR设备元年。



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图：微软hololens 2

同年，索尼推出一款专为游戏主机设计的VR头显——PlayStation VR。



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图：微软hololens 2

微软在2016年和2019年分别推出混合现实头显hololens和hololens2，通过3D摄像头、深度传感器、陀螺仪以及麦克风等传感器的组合，完成对环境和使用者行为的捕捉，hololens2更是加入了眼球跟踪能力，可以精确地感知使用者在注视什么位置，实现更自然便捷的互动。



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图：Oculus Quest 2

2020年，Meta（前身Facebook）推出VR一体机Oculus Quest 2，是首款搭载高铁骁龙XR2平台的VR设备，号称能提供目前最先进、最具沉浸感的VR游戏体验。

据外媒报道，Oculus Quest 2在2021年的销量已经超过1000万台，远远超越其他VR设备，成为当下最受欢迎的VR头显之一。Quest 2的销量破千万，意味着Meta在元宇宙的战略下，Meta已经有了基础的VR用户数目，加上原本Facebook社交平台已有的29亿月活用户数目，Meta元宇宙最根本的用户数已经被开发出来。

扎克伯格认为，元宇宙的核心是互联网体验的升级，所以VR设备及其生态是关键。

政策加持，市场快速增长

我国政府高度重视虚拟现实、增强现实的技术产业发展，在产业布局、顶层设计、应用发展和核心技术攻关等阶段，通过一系列相关政策，不断支持鼓励虚拟现实赋能各产业和重点场景。

2021年初，中国“十四五”规划纲要发布，虚拟现实和增强现实列入了“建设数字中国”数字经济重点产业，具体表现在：推动三维图形生成，动态环境建模，实时动作捕捉快速渲染处理等技术创新，发展虚拟现实整机，感知交互、内容采集制作等设备和开发工具软件、行业解决方案。地方政府积极响应，目前16省市十四五规划纲要提及虚拟现实，发展虚拟现实设备等终端产业，扩展虚拟现实技术应用场景。

IDC《2021年第一季度增强现实与虚拟现实市场追踪报告》显示，2021年第一季度中国VR头显出货量达到21万台，同比增长32%，其中一体机产品形态占到VR头显总量的72.7%。IDC预计，中国VR市场从2021年将开始出现大幅增长，未来五年AR/VR市场复合增长率达到71.1%。

从以往的科幻小说中的内容，到如今引来众多VR厂商百家争鸣，VR设备的价格从早年的居高不下，到如今的尚可接受，背后是技术的进步和应用场景的拓展。

我们有理由相信，在未来，VR技术将会带给我们更多的惊喜和感慨。