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
由克里斯·伍德福德。最后更新:2017年3月3日。
你可能永远不会去火星，和海豚一起游泳，跑100米的奥运会，或者在舞台上用滚石乐队唱歌。但是，如果虚拟现实真的实现了它的承诺，甚至你可能不用离开你的家去就可以做所有这些事情——甚至更多。与现实世界(我们生活的现实世界)不同，虚拟现实是指利用高性能计算机和传感设备(如耳机和手套)模拟我们的世界(或完全虚构的世界)。除了游戏和娱乐，它一直被用来训练飞行员和外科医生，帮助科学家解决诸如蛋白质分子结构等复杂问题。它是如何工作的呢?让我们仔细看看!
图片:虚拟现实是指将自己与现实世界隔绝，用电脑替代。通常情况下，它需要佩戴一种名为头戴式显示器的环绕式耳机，在你的耳朵上安装立体声耳机，并使用datagloves(内置传感器的手套)触摸或触摸你想象中的家。由美国宇航局艾姆斯研究中心的韦德·斯勒提供的图片。
虚拟现实是什么?
虚拟现实(VR)通过电脑意味着经历事情,真的不存在。从这个简单的定义,这个想法听起来不是特别新。当你看一个了不起的卡纳莱托画,例如,你正经历的网站和意大利的声音是大约250年前,那是一种虚拟现实。以同样的方式,如果你听环境仪器或古典音乐闭着眼睛,并开始做梦的事情,这难道不是一个例子的虚拟现实世界并不存在的经验吗?沉浸在一本书或一部电影呢?这确实是一种虚拟现实?
如果我们要理解为什么书籍、电影、绘画和音乐片段与虚拟现实不一样，那么我们需要相当清楚地定义虚拟现实。出于这个简单的介绍性文章的目的，我将把它定义为:
一个可信的，交互式的3D电脑创造的世界，你可以探索，所以你感觉你真的在那里，无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:你真的需要感觉你在你的虚拟世界(在火星上，或任何地方)，并且一直相信，或者虚拟现实的幻觉将会消失。
2.互动:当你移动的时候，虚拟现实世界需要和你一起移动。你可以看一部3D电影，然后被送到月球或海底，但在任何意义上都不是互动的。
3.计算机生成:为什么这很重要?因为只有强大的机器，具有现实的3D计算机图形，足够快，使我们可以在移动的时候实时地改变实时的、交互式的、可替代的世界。
4.探索:虚拟现实世界需要足够大，足够详细，让你去探索。无论一幅画多么逼真，从一个角度来看，它只显示了一个场景。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去探索它，就像作者描述的那样。
5.身临其境:既可信又互动，VR需要让你的身体和大脑都参与进来。战争艺术家的绘画可以让我们瞥见冲突，但他们永远无法完全传达战争的视觉、声音、气味、味道和感觉。你可以在家里玩飞行模拟器游戏PC和迷失在一个非常现实,互动体验数小时(景观将不断改变你的飞机飞过它),但是它不像使用一个真正的飞行模拟器(你坐在一个液压操作模型真正的驾驶舱和感觉真正的力量,因为它提示和倾斜),甚至不像驾驶飞机。
艺术品:这卡纳莱托画威尼斯,意大利是可信的,在某种意义上探索(你可以移动你的眼睛,想想图)的不同部分,但它不是交互式、电脑或身临其境,所以它不符合我们的虚拟现实的定义:看这张照片不像的存在。没有什么可以阻止我们在虚拟现实中进行探索，但我们需要的是CGI而不是油彩。图片由Wikimedia Commons提供。
我们可以从中看到，为什么读书，看一幅画，听古典交响乐，或者看电影都不符合虚拟现实。它们都提供了对另一个现实的部分一瞥，但没有一个是交互式的，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照片，你突然把头转过头，你会看到并记住你实际上是在地球上，幻想会消失。如果你在屏幕上看到一些有趣的东西，你就不能伸手去摸它或朝它走去;再一次，幻想将会消失。所以这些娱乐形式基本上是被动的:不管它们有多么可信，它们都不会以任何方式积极地吸引你。
虚拟现实是完全不同的。它让你觉得你实际上是生活在一个完全可信的虚拟世界里(用技术术语来说，你部分或完全沉浸在虚拟世界中)。它是双向互动的:当你回应你所看到的，你所看到的是对你的回应:如果你转动你的头，你看到或听到的虚拟现实的改变，以符合你的新观点。
虚拟现实的类型
“虚拟现实”经常被用作一个营销术语，用于吸引眼球，互动视频游戏，甚至是3D电影和电视节目，但这些都不能算作虚拟现实，因为它们没有完全或部分地沉浸在虚拟世界中。在你的手机应用商店里搜索“虚拟现实”，你会发现成百上千的点击量，即使一个微小的手机屏幕永远也无法产生令人信服的VR体验。然而，像交互游戏和计算机模拟这样的东西肯定会满足我们的部分定义，因此，建立虚拟世界的方法显然不止一种——而且不止一种虚拟现实的味道。以下是一些更大的变化:
完全展现出
对于完整的VR体验，我们需要三样东西。首先，一个可信的，丰富的虚拟世界去探索;换句话说，计算机模型或模拟。第二，一台功能强大的电脑，它能实时检测我们的动向，并根据实际情况调整我们的体验(因此，我们看到或听到的变化和现实情况一样快)。第三，当我们在虚拟世界中漫游时，硬件与电脑连接，使我们完全沉浸在虚拟世界中。通常，我们需要戴上一个头戴式显示器(HMD)，有两个屏幕和立体声音响，戴一个或多个感觉手套。或者，我们可以在一个房间里走动，配备环绕立体声扬声器，从外面投射出变化的图像。稍后我们将更详细地探讨VR设备。
非浸入式
在家用电脑上的一个高度逼真的飞行模拟器可能符合非沉浸式虚拟现实，特别是如果它使用一个非常宽的屏幕，带有耳机或环绕声，以及一个现实的操纵杆和其他控制。不是每个人都想或需要完全沉浸在另一个现实中。架构师可以通过移动鼠标，构建一个新大楼的详细三维模型，向客户展示可以在桌面计算机上进行探索。大多数人会把它归为一种虚拟现实，即使它没有完全浸入你的身体。同样地，计算机考古学家们也经常创造出一种能让你四处走动和探索的长期遗失的定居点的三维重建。它们不会把你带回几百年或几千年，也不会创造出史前时代的声音、气味和味道，但它们给你的体验要比一些柔和的图画，甚至是一部动画电影丰富得多。
协作
《虚拟世界》(Second Life)和《我的世界》(Minecraft)怎么样?他们算是虚拟现实吗?虽然他们满足了我们的前四个标准(可信的、交互式的、计算机创造的和可探索的)，但他们并没有真正达到第五种标准:他们没有完全沉浸于你。但有一件事是他们提供的，那就是最前沿的虚拟现实技术通常不是协作的:在虚拟世界中与他人分享体验的想法，通常是实时的或者非常接近的。未来，协作和共享可能会成为VR的重要特征。
基于网络的
在20世纪80年代末和90年代初，虚拟现实是最热门、增长最快的技术之一，但万维网的迅速崛起在很大程度上扼杀了人们的兴趣。尽管计算机科学家开发出一种构建网络虚拟世界(使用一种称为虚拟现实的技术类似于HTML标记语言,VRML),普通工作的人更感兴趣的方式给他们提供新的方法来访问真正reality-new方法发现和发布信息,购物,与朋友和分享想法,想法,和经验通过社交媒体。随着Facebook对这项技术越来越感兴趣，虚拟现实技术的未来很可能是基于网络和协作的。
增强现实
图片:增强现实:像美国空军使用的这种显示器，将有用的、基于计算机的信息叠加在你亲眼所见的东西上面。由美国空军少校查德·吉布森提供的图片。
像智能手机和平板电脑这样的移动设备已经把过去的超级计算机的力量放在我们的手里和口袋里。如果我们漫步在世界各地，也许去参观像金字塔这样的文化遗址，或者一个我们从未去过的迷人的外国城市，我们想要的通常不是虚拟现实，而是我们在眼前看到的令人兴奋的现实的增强体验。这产生了增强现实(AR)的概念，例如，你将智能手机指向一个地标，或者一个引人注目的建筑物，并且会自动弹出有趣的信息。增强现实就是将我们所体验的真实世界与我们在网络上共同创建的巨大的虚拟世界联系起来。这两个世界都不是虚拟的，但同时探索和导航这两个世界的想法却与虚拟现实有共同之处。例如，一个移动设备如何能计算出它在世界上的精确位置?当你在一个城市漫步时，你在平板电脑屏幕上看到的东西会如何变化?从技术上讲，这些问题类似于虚拟现实系统的开发者必须解决的问题，因此AR和VR之间有密切的联系。
我们需要什么样的虚拟现实设备?
闭上你的眼睛，想想虚拟现实，你可能会想象出我们的顶级照片:一个戴着环绕式耳机(HMD)和datagloves的极客，连接到一个强大的工作站或超级计算机。虚拟现实与普通电脑体验(用电脑写文章或玩游戏)的区别在于输入和输出的本质。当一台普通的计算机使用键盘、鼠标或(更有外感的)语音识别来输入时，VR会使用传感器来检测你的身体是如何运动的。当电脑显示屏幕上的输出(或打印机)时，VR使用两个屏幕(每个眼睛一个)，立体声或环绕立体声扬声器，可能还有一些触觉(触觉和身体知觉)的反馈形式。让我们快速浏览一下一些比较常见的虚拟现实输入和输出设备。
头盔显示器(hmd)
照片:从里面看。一个典型的HMD有两个小屏幕，可以向你的每个眼睛显示不同的图片，所以你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的3D图像。这是通过佩戴头戴式显示器实现的，它看起来像一个巨大的摩托车头盔或焊接面罩，但它包括两个小屏幕(每个眼睛前面都有一个)，遮光罩遮住了所有其他光线(排除了现实世界的干扰)和立体声耳机。这两个屏幕显示了细微的不同，立体的图像，创造了一个现实的三维视角的虚拟世界。HMDs通常也有内置的加速器或位置传感器，这样他们就能准确地检测到你的头和身体是如何移动的(位置和方向——他们倾斜或指向的方向)并相应地调整图片。HMDs的问题在于它们很重，所以长时间的穿着会很累;一些真正重的，甚至是安装在支架上的配重。但是，HMDs不必如此复杂和复杂:在光谱的另一端，谷歌开发出了一款价格低廉、价格低廉的硬纸板眼镜，内置的镜片可以将普通的智能手机转换成粗糙的HMD。
身临其境的房间
另一种选择是坐或站在房间里，墙上的图像是由外部投射出来的。当你在房间里移动时，图像会随之改变。飞行模拟器使用这种技术，通常会有景观、城市和机场方法的图像投射到位于驾驶舱模型外的大屏幕上。20世纪90年代，由托马斯·德·法蒂(Thomas de Fanti)在伊利诺伊大学(University of Illinois)开发的一个名为CAVE(洞穴自动虚拟环境)的虚拟现实实验，也以这种方式进行。人们在一个巨大的立方体形状的房间里走来走去，墙壁是半透明的，从外面投射出立体影像。虽然他们不需要穿HMDs，但他们确实需要立体眼镜来体验完整的3D感知。
Datagloves
上图:上世纪90年代，美国国家航空航天局(NASA)生产的EXOS datagloves有非常复杂的外部传感器，可以精确地检测手指的运动。图片由NASA马歇尔太空飞行中心提供。下图:这款更加精致的EXOS手套在每个手指上都有单独的传感器，连接到主虚拟现实电脑上的一条带状电缆。由美国宇航局艾姆斯研究中心的韦德·斯勒提供的图片。
看到一些神奇的东西，你的自然本能就是伸出手去触摸它——即使是婴儿也会这样做。因此，给人们处理虚拟对象的能力一直是虚拟现实的重要组成部分。通常，这是使用datagloves，这是普通的手套，传感器连接到外部，以检测手和图形的动作。使用光纤电缆的一种技术方法是拉伸每根手指的长度。每根缆线都有细小的切口，当你来回弯曲手指时，或多或少的光线会消失。在电缆末端的一个光电池测量光到达它的多少，计算机使用它来弄清楚你的手指在做什么。其他手套使用应变仪、压电传感器或机电设备(如电位器)来测量手指的运动。
魔杖
照片:一个典型的手持虚拟现实控制器(配有橡皮筋)，看上去与视频游戏控制器没有太大区别。照片由美国宇航局艾姆斯研究中心提供。
甚至比dataglove更简单，一根魔杖是一根你可以用来触摸、指向或与虚拟世界互动的棍子。它的位置或运动传感器(如加速计)和鼠标一样的按钮或滚动轮。最初，魔杖都笨拙地连接到虚拟现实电脑中;越来越多的无线。
虚拟现实的应用
VR一直以来都受到这样一种观念的影响:它只不过是一种美化的街机游戏——从现实的角度来看，它只是一种“梦幻般的逃避”。从这个意义上说，“虚拟现实”可能是一个毫无用处的用词不当;“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VR的关键在于，它并不是一种时尚或幻想，在等待着人们去寻找另一个世界;在过去的30年里，科学家、医生、牙医、工程师、建筑师、考古学家和军队经常使用这种技术。我们能用它做什么?
教育
照片:飞行训练是虚拟现实的经典应用，虽然它不使用HMDs或datagloves。取而代之的是，你坐在一个假装的座舱里，在巨大的屏幕上投射改变的图像，给人一种你从飞机上看到的景象。驾驶舱是一架精密的复制品，在一架真正的飞机上有完全相同的仪器和控制。照片由哈维尔·加西亚提供，由美国空军提供。
困难和危险的工作很难训练。你怎么能安全的去太空旅行，降落一架大型喷气式飞机，做一次跳伞，或者做脑部手术?所有这些都是虚拟现实应用程序的候选。正如我们已经看到的，飞行座舱模拟器是最早的VR应用之一;他们可以追溯到20世纪20年代由Edwin Link开发的机械模拟器。就像飞行员一样，外科医生现在也经常使用VR训练。在2008年对来自28个不同国家的735名外科学员进行的一项研究中，68%的人表示，用虚拟现实技术培训他们的机会是“好的”或“优秀的”，只有2%的人认为这是无用的或不合适的。
科学可视化
照片:如果你要去火星，在虚拟现实中旅行可以帮助你想象当你到达火星时你会发现什么。图片由美国宇航局艾姆斯研究中心提供。
在原子或分子尺度上发生的任何事情都是看不见的，除非你准备坐着用电子显微镜盯
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