Virtual reality
by Chris Woodford. Last updated: March 3, 2017.
You#39;ll probably never go to Mars, swim with dolphins, run an Olympic 100 meters, or sing onstage with the Rolling Stones. But if virtual reality ever lives up to its promise, you might be able to do all these things—and many more—without even leaving your home. Unlike real reality (the actual world in which we live), virtual reality means simulating bits of our world (or completely imaginary worlds) using high-performance computers and sensory equipment, like headsets and gloves. Apart from games and entertainment, it#39;s long been used for training airline pilots and surgeons and for helping scientists to figure out complex problems such as the structure of protein molecules. How does it work? Let#39;s take a closer look!
Photo: Virtual reality means blocking yourself off from the real world and substituting a computer-generated alternative. Often, it involves wearing a wraparound headset called a head-mounted display, clamping stereo headphones over your ears, and touching or feeling your way around your imaginary home using datagloves (gloves with built-in sensors). Picture by Wade Sisler courtesy of NASA Ames Research Center.
What is virtual reality?
Virtual reality (VR) means experiencing things through our computers that don#39;t really exist. From that simple definition, the idea doesn#39;t sound especially new. When you look at an amazing Canaletto painting, for example, you#39;re experiencing the sites and sounds of Italy as it was about 250 years ago—so that#39;s a kind of virtual reality. In the same way, if you listen to ambient instrumental or classical music with your eyes closed, and start dreaming about things, isn#39;t that an example of virtual reality—an experience of a world that doesn#39;t really exist? What about losing yourself in a book or a movie? Surely that#39;s a kind of virtual reality?
If we#39;re going to understand why books, movies, paintings, and pieces of music aren#39;t the same thing as virtual reality, we need to define VR fairly clearly. For the purposes of this simple, introductory article, I#39;m going to define it as:
A believable, interactive 3D computer-created world that you can explore so you feel you really are there, both mentally and physically.
Putting it another way, virtual reality is essentially:
- Believable: You really need to feel like you#39;re in your virtual world (on Mars, or wherever) and to keep believing that, or the illusion of virtual reality will disappear.
- Interactive: As you move around, the VR world needs to move with you. You can watch a 3D movie and be transported up to the Moon or down to the seabed—but it#39;s not interactive in any sense.
- Computer-generated: Why is that important? Because only powerful machines, with realistic 3D computer graphics, are fast enough to make believable, interactive, alternative worlds that change in real-time as we move around them.
- Explorable: A VR world needs to be big and detailed enough for you to explore. However realistic a painting is, it shows only one scene, from one perspective. A book can describe a vast and complex 'virtual world,' but you can only really explore it in a linear way, exactly as the author describes it.
- Immersive: To be both believable and interactive, VR needs to engage both your body and your mind. Paintings by war artists can give us glimpses of conflict, but they can never fully convey the sight, sound, smell, taste, and feel of battle. You can play a flight simulator game on your home PC and be lost in a very realistic, interactive experience for hours (the landscape will constantly change as your plane flies through it), but it#39;s not like using a real flight simulator (where you sit in a hydraulically operated mockup of a real cockpit and feel actual forces as it tips and tilts), and even less like flying a plane.
Artwork: This Canaletto painting of Venice, Italy is believable and in some sense explorable (you can move your eyes around and think about different parts of the picture), but it#39;s not interactive, computer-generated, or immersive, so it doesn#39;t meet our definition of virtual reality: looking at this picture is not like being there. There#39;s nothing to stop us making an explorable equivalent in VR, but we need CGI—not oil paints—to do it. Picture courtesy of Wikimedia Commons.
We can see from this why reading a book, looking at a painting, listening to a classical symphony, or watching a movie don#39;t qualify as virtual reality. All of them offer partial glimpses of another reality, but none are interactive, explorable, or fully believable. If you#39;re sitting in a movie theater looking at a giant picture of Mars on the screen, and you suddenly turn your head too far, you#39;ll see and remember that you#39;re actually on Earth and the illusion will disappear. If you see something interesting on the screen, you can#39;t reach out and touch it or walk towards it; again, the illusion will simply disappear. So these forms of entertainment are essentially passive: however plausible they might be, they don#39;t actively engage you in any way.
VR is quite different. It makes you think you are
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虚拟现实
克里斯伍德福德 最后更新时间：2017年3月3日。
你可能永远不会去火星，与海豚一起游泳，跑100米奥运，或者在滚石乐队的舞台上唱歌。但是如果虚拟现实恪守其承诺，那么您可以做到所有这些事情 - 甚至更多 - 都不用离开家。 与真实世界（我们生活的现实世界）不同，虚拟现实意味着使用高性能计算机和感官设备（如耳机和手套）来模拟我们世界（或完全想象的世界）的各个部分。除了游戏和娱乐之外，它一直被用于培训航空公司飞行员和外科医生，并帮助科学家找出诸如蛋白质分子结构等复杂问题。 它是如何工作的？ 让我们仔细看看！
图片：虚拟现实意味着阻止自己脱离现实世界并用计算机生成的替代品取而代之。 通常情况下，它需要佩戴一种称为头戴式显示器的环绕式耳机，将立体声耳机夹在耳朵上，并使用数据手套（带有内置传感器的手套）在您想象中的家中触摸或感受您的方式。 图片由韦德西斯勒由NASA埃姆斯研究中心提供。
什么是虚拟现实？
虚拟现实（VR）意味着通过我们没有真正存在的计算机来体验事物。 从这个简单的定义来看，这个想法听起来并不特别新颖。 例如，当你看到一幅令人惊叹的卡纳莱托绘画作品时，你会体验到250年前意大利的地点和声音 - 这是一种虚拟现实。 以同样的方式，如果你闭着眼睛听周围的器乐或古典音乐，并开始梦想事物，那么这不是虚拟现实的例子 - 一个并不真实存在的世界的体验吗？ 如何在一本书或一部电影中失去自我？ 当然，这是一种虚拟现实？
如果我们要理解书籍，电影，绘画和音乐作品与虚拟现实不同的原因，我们需要相当清楚地定义VR。 为了这个简单的介绍性文章的目的，我将它定义为：
一个可信，互动的3D电脑创造的世界，你可以探索，让你感觉你真的在那里，不论是精神上还是身体上。
换句话说，虚拟现实本质上是：
1.可信：你真的需要感觉自己在虚拟世界中（在火星上，或者在任何地方），并且坚信这一点，否则虚拟现实的幻觉就会消失。
2.互动：当你移动时，虚拟现实世界需要与你一起移动。您可以观看3D电影，并将其运输到月球或海底 - 但从任何意义上讲，这都不是互动的。
3.计算机生成：为什么这很重要？因为只有功能强大的机器和逼真的3D计算机图形才能够快速制造可信，互动的替代世界，并随着我们的移动而实时变化。
4.可探索：一个VR世界需要足够大和足够详细，供您探索。然而，现实中的一幅画，从一个角度来看，它只显示出一个场景。一本书可以描述一个庞大而复杂的“虚拟世界”，但你只能用线性的方式真正地探索它，正如作者所描述的那样。
5.沉默：为了既可信又互动，虚拟现实需要兼顾身体和心灵。战争艺术家的绘画可以让我们看到冲突的一瞥，但他们无法完全传达视觉，听觉，嗅觉，味觉和战斗感。您可以在家用电脑上玩飞行模拟器游戏，并在数小时内以非常逼真的互动体验迷失方向（当飞机飞过时，景观会不断变化），但它不像是使用真正的飞行模拟器（一个真实驾驶舱的液压操作模型，你可以通过它的提示和倾斜感受实际的力量），甚至不像飞机。
艺术作品：意大利威尼斯的卡纳莱托绘画是可信的，在某种意义上是可以探索的（你可以移动你的眼睛并思考图片的不同部分），但它不是互动的，不是计算机生成的也不是沉浸式的，所以它不符合我们对虚拟现实的定义：看这张照片并不像在那里。没有什么可以阻止我们在VR中进行可探索的等价物，但我们需要CGI而不是油漆来实现它。图片由维基共享资源提供。
我们可以从中看到为什么看书、看一幅画、听古典交响乐或者看电影不符合虚拟现实。所有这些都提供了另一个现实的部分瞥见，但没有一个是互动的、可探索的、或完全可信的。如果你坐在电影院里看着屏幕上巨大的火星画面，而你突然头转过头，你会看到并意识到你实际上在地球上，幻觉会消失。如果你在屏幕上看到一些有趣的东西，你不能伸手去摸它或者走向它;幻觉又会消失。所以这些娱乐形式本质上是被动的：不管它们是否是合理的，它们并不以任何方式积极地吸引你。
VR非常不同。它使你认为你实际上生活在一个完全可信的虚拟世界中（其中，使用技术术语，你部分或完全沉浸在其中）。它是双向交互式的：当你回应你所看到的时，你看到的是对你的回应：如果你转过头来看，你在VR中看到或听到的变化与你的新视角相符。
虚拟现实的类型
“虚拟现实”经常被用作引人注目的交互式视频游戏甚至3D电影和电视节目的营销流行语，但它们都并没有真正算作VR，因为它们不会让你完全或部分地沉浸在虚拟世界中。 在手机应用程序商店中搜索“虚拟现实”，即使一个小小的手机屏幕无法在任何地方靠近，也能获得数百次的点击率，从而产生令人信服的VR体验。 然而，像互动游戏和计算机模拟这样的东西肯定会满足我们上面定义的部分，所以显然有不止一种方法来构建虚拟世界 - 以及不止一种虚拟现实风格。 以下是一些更大的变化：
完全身临其境
对于完整的VR体验，我们需要三件事情。 首先，探索一个合理且丰富的虚拟世界; 一个计算机模型，或者换句话说，模拟。 其次，一台功能强大的计算机可以实时检测我们要做的事情并相应地调整我们的体验（所以我们看到或听到的变化与我们移动一样快，就像在真实的现实中一样）。 第三，与计算机相关的硬件将我们完全沉浸在虚拟世界中，随着我们漫游。 通常，我们需要穿上所谓的带有两个屏幕和立体声的头戴式显示器（HMD），并佩戴一个或多个感官手套。 或者，我们可以在一个房间内移动，并安装环绕声扬声器，从外面投射变化的图像。 我们稍后将更详细地探讨VR设备。
非身临其境
在家用电脑上的高度真实的飞行模拟器可能有资格作为非沉浸式虚拟现实，特别是如果它使用非常宽的屏幕，耳机或环绕声，以及逼真的操纵杆和其他控件。 不是每个人都想要或需要完全沉浸在另一种现实中。 建筑师可能会建立一个新建筑的详细3D模型，向客户展示可通过移动鼠标在台式计算机上探索的模型。 大多数人会把它归类为一种虚拟现实，即使它并没有完全让你沉浸其中。 以同样的方式，计算机考古学家经常创造引人入胜的三维重建失落定居点，您可以移动和探索。 它们不会让你回到数百年或数千年，也不会创造出史前史的声音，气味和口味，但它们比一些柔和的绘画或动画电影提供了更丰富的体验。
共同
关于“第二人生”和“我的世界”等“虚拟世界”游戏呢？他们算作虚拟现实吗？尽管他们符合我们前四项标准（可信，互动，计算机创造和可探索），但他们并不真正达到第五项标准：他们没有完全沉浸于你。但他们所提供的最前沿虚拟现实的一件事通常不是合作：与其他人分享虚拟世界中的体验的想法，通常是实时的或与其非常接近的。未来，协作和共享有可能成为越来越重要的VR功能。
基于Web的
虚拟现实是20世纪80年代后期和90年代初期最火热、增长最快的技术之一，但万维网的迅速崛起在此之后基本上丧失了兴趣。尽管计算机科学家开发了一种在网络上构建虚拟世界的方法（使用类似于称为虚拟现实标记语言（VRML）的HTML技术），但普通人更关心Web向他们提供访问真实现实的新方式 - 寻找和发布信息的新途径，购物，并通过社交媒体与朋友分享想法，想法和经验。随着Facebook对这项技术的兴趣日益浓厚，VR的未来似乎可能是基于网络和协作。
增强现实
图片：增强现实：像美国空军使用的这种平视显示器，将有用的基于计算机的信息叠加在你亲眼看到的东西之上。图片由美国空军的少尉Chad E. Gibson提供。
像智能手机和平板电脑这样的移动设备把我们手中的超级计算机能力放在了口袋里。如果我们在世界各地漫游，也许参观像金字塔或一个我们以前从未去过的迷人的外国城市这样的遗产，我们想要的通常不是虚拟现实，而是增强我们可以看到的激动人心的现实体验我们面前。这就产生了增强现实（AR）的想法，例如，您可以将智能手机指向具有里程碑意义的建筑物或引人注目的建筑物，并自动弹出有趣的信息。增强现实就是将我们体验的真实世界与我们在Web上共同创建的庞大的虚拟信息世界连接起来。这两个世界都不是虚拟的，但是同时探索和浏览两者的想法确实与虚拟现实有共同之处。例如，移动设备如何找出其在世界上的精确位置？当你在城市中漫步时，平板电脑屏幕上看到的东西如何变化？从技术上讲，这些问题与VR系统开发人员必须解决的问题类似 - 因此AR和VR之间存在紧密的联系。
我们需要什么设备来实现虚拟现实？
闭上你的眼睛，想想虚拟现实，你可能会像我们上边的照片一样：一个穿着环绕耳机（HMD）和数据手套的怪人，连接到一个强大的工作站或超级计算机。 VR与普通电脑体验的区别在于（使用电脑撰写文章或玩游戏）是输入和输出的本质。 在普通计算机使用键盘，鼠标或输入语音识别（更为异常）的情况下，VR使用传感器来检测身体如何移动。 当电脑在屏幕（或打印机）上显示输出时，VR会使用两个屏幕（每个眼睛一个），立体声或环绕立体声扬声器，以及某些形式的触觉（触摸和身体感知）反馈。 让我们快速浏览一些更常见的VR输入和输出设备。
头戴式显示器（HMD）
照片：从里面看，一个典型的头戴式显示器有两个小屏幕，可以为您的每只眼睛显示不同的图像，因此您的大脑会产生一个组合的3D（立体）图像。图片由美国空军提供。
VR和看普通电脑屏幕有两大区别：在VR中，当你移动头部时，你会看到一个实时变化平滑的3D图像。这可以通过佩戴头戴式显示器来实现，该显示器看起来像是一个巨大的摩托车头盔或焊接护目镜，但是由两个小屏幕（每个眼睛前面一个）组成，一个遮挡眼罩的遮光罩可以遮挡所有其他光线（消除分心真实世界）和立体声耳机。两个屏幕显示稍微不同的立体图像，创建虚拟世界的逼真3D视角。 HMD通常也具有内置的加速度计或位置传感器，以便他们可以准确检测您的头部和身体如何移动（位置和方向 - 它们倾斜或指向哪个方向）并相应地调整图片。 HMD的麻烦在于它们很重，所以长时间佩戴会很累人。一些非常重的甚至安装在配重的支架上。但HMD并不一定要那么复杂：在另一方面，谷歌已经开发出一款经济实惠，低成本的内置镜头护目镜，可将普通智能手机转换为原始HMD。
身临其境的客房
戴上HMD的另一种方法是坐在或站在一个房间内，在房间内从外部投射变化的图像。当你在房间中移动时，图像会相应改变。飞行模拟器通常使用这种技术，将景观、城市和机场的图像投射到位于驾驶舱模型之外的大屏幕上。著名的，20世纪90年代由伊利诺斯大学的Thomas de Fanti开发的VR实验CAVE（洞穴自动虚拟环境）也是这样工作的。人们在具有半透明墙壁的大立方形房间内移动，立体图像从外部反投影到该房间内。尽管他们不需要戴HMD，但他们确实需要立体眼镜才能体验完整的3D感知。
数据手套
看到一些令人惊叹的东西，你的自然本能就是伸出手去触摸它 - 即使是婴儿也会这么做。 因此赋予人们处理虚拟物体的能力一直是VR的重要组成部分。 通常情况下，这是通过使用数据手套完成的，数据手套就是带有传感器的普通手套，通过传感器连接到外部以检测手部和身体的运动。 这样做的一种技术方法是使用光纤电缆拉伸每个手指的长度。 每根电缆都有微小的切口，所以当你来回弯曲你的手指时，或多或少的光线就会逃脱。 电缆末端的光电池可以测量光线到达的程度，计算机使用它来确定您的手指正在做什么。 其他手套使用应变仪，压电传感器或机电设备（如电位计）来测量手指的移动。
照片：上：20世纪90年代美国宇航局制作的EXOS数据手套具有非常复杂的外部传感器，来高精度检测手指移动。 图片由NASA马歇尔太空飞行中心（NASA-MSFC）提供。
下：这个更精细的EXOS手套在每个手指段上都有独立的传感器，可以连接到连接主VR电脑的单条带状电缆。 图片由NASA埃姆斯研究中心的韦德西斯勒提供。
示意图：光纤数据手套如何工作。 每根手指都有沿其长度延伸的光纤电缆。 （1）在手指的一端，发光二极管（LED）将光线射入电缆。 （2）光线射下电缆，从侧面反弹。 （3）每条光纤的顶部都有微小的擦伤，一些光线通过这些擦伤逸出。 你越弯曲你的手指，越多的光线逃脱。 （4）最后到达光电管的光量大致表明您手指的弯曲程度。 （5）电缆将此信号传送到VR电脑。 这是1992年获得专利的数据手套 VPL的简化版本，您能在美国专利5,097,252中找到更详细的描述。
权杖
即使比数据手段简单，魔杖也可以用来触摸、指向或以其他方式与虚拟世界交互。 它内置位置或运动传感器（如加速度计），以及鼠标式按钮或滚轮。 原本，魔杖笨拙地连接到主VR电脑中;当然，他们是无线的。
照片：典型的手持式虚拟现实控制器（配有松紧带），与视频游戏控制器看起来没有太大的不同。 图片由NASA艾姆斯研究中心提供。
虚拟现实的应用
VR总是遭受这样的看法：它只是一个美化的街机游戏 - 实际上是一种“梦幻般的逃离”。 从这个意义上讲，“虚拟现实”可能是一个毫无用处的错误; “替代现实”，“人造现实”或“计算机模拟”可能是更好的术语。 要记住关于VR的关键之处在于，它并不是一种时尚或奇幻的东西，可以让人们远离另类世界; 在过去的30年里，科学家，医生，牙医，工程师，建筑师，考古学家和军队都经常使用这种实用技术。 我们可以用它做什么样的事情？
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