虚拟现实的起源、发展、爆发与沉淀
虚拟现实的三⽣三世
闲来⽆事翻篇外⽂,本博主并⾮故意蹭热点(奸笑),结尾我会细说为何是三⽣三世,不是五⽣五世:
虚拟现实远早于这个概念被创造和形式化之前。在这篇描写虚拟现实发展历史的⽂章中,我们看看技术如何演变,以及那些起着关键作⽤的先驱者是如何为我们如今所熟知的虚拟现实铺平道路。
早起尝试——全景画
如果我们更加地严格关注把虚拟现实范围限定在将⼈置⾝于幻境下的⼀种⼿段,那么虚拟现实的最早尝试肯定是从⼗九世纪起的360°壁画和全景图。这些绘画旨在填充观看者的整个视野,使他们感受到⼀些历史事件或场景。[1][2]
1838年 - ⽴体照⽚和观看者
希腊数学家欧⼏⾥德Euclid发现了⼈类之所以能洞察⽴体空间,主要是由左右眼所看到的图像不同⽽产⽣的,这种现象被叫做双眼视差Binocular Parallax。在1838年,Charles Wheatstone利⽤双⽬视差原理发明出了可以看出⽴体画⾯的⽴体镜。通过⽴体镜观察两个并排的⽴体图像或照⽚给⽤户提供纵深感和沉浸感。1849年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。受欢迎的View-Master⽴体镜(1939年专利)的后期发展被⽤于“虚拟旅游”。
⽽且⽴体镜的设计原理也应⽤于当今较为流⾏的3D⽴体视觉模拟技术(影院的3D电影屏幕,家⽤的3D电视),以及结合⼿机使⽤⾕歌纸板Google Cardboard和低廉的VR头戴式显⽰器。它们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来营造出双⽬视差的环境,从⽽让⼈感觉到⽴体画⾯。[4]
1838年: ⽴体镜 (Charles Wheatstone)
1849年: 透视⽴体镜 (David Brewster)
1939年: View-Master⽴体镜 (William Gruber)
随着时间的推移,⼈类已经逐渐创造出了更多更丰富的⽅式来刺激我们的感官。但这⼀切是随着20世纪电⼦和计算机技术的出现,才真的开始起飞。
1929—Link Trainer第⼀个飞⾏模拟器
1929年,Edward Link发明了Link Trainer(1931年专利),它可能是历史上第⼀个纯机电的商业飞⾏模拟器。它由连接到⽅向舵和转向柱的电动机控制,以修改俯仰和滚转。以⼩型电动机驱动的装置可以模拟湍流和扰动。这样做是为了更加安全的⽅式去训练飞⾏员,当时美国军⽅以3500美元购买了6个这样的设备。不过这些钱还不到2015年的5万美元。在第⼆次世界⼤战期间,超过500,000名飞⾏员使⽤10,000多个“Blue Box”Link训练器进⾏初始培训以提⾼他们的飞⾏技能。
左边:Edward Link, 右边: Link Trainer飞⾏模拟器
1930年代 – 预测VR的科幻故事
在20世纪30年代,斯坦利·G·温鲍姆(Stanley G. Weinbaum)的科幻⼩说《⽪格马利翁的眼镜(Pygmalion’s Spectacles)》,这是被认为探讨虚拟现实的第⼀部科幻作品,简短的故事中详细地描述了佩戴者可以通过嗅觉、触觉和全息护⽬镜来体验⼀个虚构的世界。事后看来,当时Weinbaum对那些佩戴护⽬镜的⼈经历的描述,与如今体验虚拟现实的⼈们的体验有着惊⼈的相似,这使他成为这个领域真正的远见者,从此VR⼤幕就此拉开。
1950年代 - Morton Heilig的Sensorama
在20世纪50年代中期,当⼤部分⼈还在使⽤⿊⽩电视的时候,摄影师Morton Heilig成功造出了⼀台能够正常运转的3D视频机器(1957年)。它能让⼈沉浸于虚拟摩托车上的骑⾏体验,感受声响、风吹、震动和布鲁克林马路的味道,他给它起名Sensorama Simulator (1962年获得专利)[5]。
1960年 - 第⼀个VR头戴式显⽰器
Morton Heilig的下⼀个发明是Telesphere Mask(1960年获得专利),它虽然是没有任何运动跟踪的⾮交互式电影媒体,但作为头戴式显⽰器(HMD)的第⼀个例⼦,看起来⾮常现代,⼏乎可以看作是早期的Gear VR。
Heilig在申请中将Telesphere 描述为“个⼈⽤途的可伸缩电视设备”,实际上它和我们习惯的3D视频头戴设备⼀样,不同的是它使⽤缩⼩的电视管,⽽不是连接到智能⼿机或电脑。专利⽂件这么描述该发明,“给观众带来完全真实的感觉,⽐如移动彩⾊三维图像、沉浸其中的视⾓、⽴体的声⾳、⽓味和空⽓流动的感觉。”它很轻便,⽿朵和眼部的固定装置可以调整,戴在头上很⽅便。即使很多现代的头戴设备也⽐不上,⽽它诞⽣于⼀个彩⾊电视尚未来临的时代。
1961年 Headsight - 第⼀个运动跟踪HMD
在1961年,两个Philco公司的⼯程师(Comeau&Bryan)开发了第⼀个HMD的前驱物——Headsight。它包括视频屏幕和磁⼒运动跟踪系统,它链接到闭路电视摄像机。实际上Headsight没有虚拟现实的应⽤开发程序(该术语讲是不存在),但允许军队对危险情况的沉浸式远程查看,观察者头部移动将移动远程相机,⽤户可以⾃然地环视环境。
尽管Headsight缺乏计算机和图像⽣成的集成,但它仍是VR头戴式显⽰器演变的第⼀步。
1965年 - Ivan Sutherland提出的“Ultimate Display”
1965年,计算机图形学之⽗和虚拟现实之⽗Ivan Sutherland发表了⼀篇题为“Ultimate Display”的论⽂。⽂章指出,应该将计算机显⽰屏幕作为“⼀个观察虚拟世界的窗⼝”,计算机系统能够使该窗⼝中的景象、声⾳、事件和⾏为⾮常逼真[8]。它的概念包括:
观察者通过HMD观看虚拟世界,通过增强的3D声⾳和触觉来促进⽤户的沉浸感。
计算机硬件⽣成3D世界,当观察者转动⾝体或者眼球时,场景会实时变化。
⽤户以现实的⽅式与虚拟世界中的对象交互的能⼒。
“Ultimate Display必将会是这样,在⼀个房间内,由电脑可以控制⼀切存在的物体。⼈能够坐在房间中显⽰的椅⼦上,⼿能被显⽰的⼿铐控制住,⽽且房间内的⼈们有可能被突如其来的虚拟⼦弹击中⽽致命。通过适当的编程,如此的显⽰器可以营造出真正地爱丽丝⾛进的仙境。”- Ivan Sutherland [9]虚拟与现实
这篇论⽂(Ultimate Display)将成为当下整个虚拟和增强现实概念的核⼼蓝图。
1968年 - 达摩克利之剑
Ivan Sutherland 试图将⾃⼰这种幻想以设备的形式制造出来,1968年,Ivan和他的学⽣Bob Sproull创建了第⼀款连接到计算机⽽不是相机的VR/AR头戴显⽰器, 被称为“达摩克利斯之剑”。名字由来是因为这个设备太过笨重,为了保证⽤户安全舒适佩戴,Ivan将它和天花板相连,并⽤⼀根杆吊在⼈的脑袋上⽅。⽽且计算机⽣成的图形是⾮常原始的线框房间和对象。[10][11]
1969年 - ⼈⼯现实
Myron Krueger是美国计算机艺术家、互动艺术家。在威斯康星⼤学攻读博⼠学位期间,他在1969年从事了许多计算机互动的⼯作,其中包括GlowFlow。GlowFlow作为早期虚拟现实环境原型,是⼀个由计算机控制,以⼈响应作为输⼊的环境。他也是虚拟现实(VR)和增强现实(AR)领域的早期阶段或第⼀代研究员之⼀。
参与艺术创作「Glowflow」之后,提出了电脑互动的观念并将虚拟现实(Virtual Reality)的观念带⼊了艺术创作,于1985年, 创建了第⼀个可以让⽤户与虚拟物体进⾏交互的Videoplace系统,它是从Glowflow,Metaplay到Psychic space开始的各种这样的系统的改进的结果。
图1是Myron Krueger,图2是GlowFlow演⽰图⽚,图3是GlowFlow显⽰图⽚
1987年 – 虚拟现实(Virtual reality)这个名字的诞⽣
美国VPL公司创建⼈Jaron Lanier,他被业界称为”虚拟现实之⽗”,这位集计算机科学家、哲学家和⾳乐家三种⾝份于⼀⾝的天才在1987年提出了VR概念。VPL公司研发出了⼀系列虚拟现实设备,包括Dataglove(由该公司的联合创始⼈ Tom Zimmerman 在⼯程师Young Harvill 的协助下所创造出来的。)和EyePhone头戴式显⽰器和⼿套[12]。
VPL致⼒于虚拟现实产品的商业化,逐渐发展成了⼀家以制造软件产品为导向的公司,当时EyePhone 1的售价为$9400、EyePhone HRX售价为$49000,⼿套售价为$9000。虽然VPL 在1992年末⾛向了破产,但作为第⼀家销售虚拟现实产品的公司,他们做出了⾮常重⼤的贡献。Jaron⽬前从2009年起担任微软的跨学科科学家。
(到这⾥,是VR的第⼆世,缘⽣)
1991年 - Virtuality Group电玩机
于1991年发布的Virtuality 1000CS是20世纪90年代具有影响⼒的VR设备,是消费级VR的重⼤飞跃。它使⽤头显来播放视频和⾳频,⽤户可以通过移动和使⽤3D操纵杆进⾏虚拟现实交互。该系统使⽤Amiga 3000计算机来处理⼤多数游戏的运算。然后,Virtuality
1000CS最终却败给了60,000美⾦的成本。
我们开始看到公众逐渐可以访问虚拟现实设备,尽管家庭对尖端虚拟现实的拥有仍然遥遥⽆期。Virtua
lity集团推出了⼀系列街机游戏和机器,玩家将佩戴⼀套VR护⽬镜,并在游戏机上玩实时的(⼩于50ms延迟)⾝临其境的⽴体3D视觉效果。⼀些组件也可以通过⽹络连接在⼀起,⽤于多玩家游戏体验。