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bull;伍德福德. 上次更新：2017.3.3
你可能永远不会去火星，不会和海豚游泳，不会在奥运会上跑100米，不会在舞台上和滚石乐队唱歌。但是如果虚拟现实曾经实现，你有可能做这些所有和更多的事甚至不用离开家。与现实 (我们实际生活的世界)不同, 虚拟现实是指利用高性能计算机和感官设备模拟我们的世界(或完全虚构的世界)，例如耳机和手套。除了游戏和娱乐设施,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。它是怎样工作的？让我们仔细看看！
虚拟现实是指把你自己与现实隔离然后用电脑代替，通常情况下，它需要佩戴一个名为头戴式显示器的环绕式耳机，将立体声耳机夹在耳朵上，用datagloves(带内置传感器的手套)触碰或摸出您想象的家的方法。
图片由美国宇航局艾姆斯研究中心的韦德·斯勒提供。
虚拟现实是什么？
虚拟现实(VR)指的是通过我们的电脑来体验那些并不存在的东西。从这个简单的定义来看，这个想法看起来并不新鲜。例如，当你看到一幅令人惊叹的卡纳莱托绘画作品时，你会体验到大约250年前的意大利的遗址和声音，这是一种虚拟现实。同样的，如果你闭着眼睛听周围的乐器或古典音乐，并开始了对事物的幻想，那不是虚拟现实的一个例子吗——一个不存在的世界的体验? 在书和电影中迷失自我，确信这是一种虚拟现实?
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。为了简化介绍，我将其定义为:
一个可信的、互动的3D计算机创建的世界，让你能探索，让你觉得自己在精神上和身体上确实在那里。
换句话说，虚拟现实有这样的特质:
- 可信: 你需要确信你真的就在你所感觉的虚拟世界里（在火星或任何地方）, 否则虚拟现实的幻觉就消失了。
- 互动: 当你移动的时候虚拟现实世界和你一起动。你看3D电影的时候被传送到月球和海底，但在任何意义上都不是互动的。
- 计算机生成: 这是为什么重要?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。
- 探索: 虚拟现实世界需要足够大和足够的细节供你探索，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。
- 侵入: 为了既可信又互动，VR需要你的身体和大脑共同参与，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。
艺术作品:意大利威尼斯的卡纳莱托画是可信的，在某种意义上是可以探索的。(你可以转动你的眼睛，思考图片的不同部分), 但它不是交互式的，计算机生成的，或侵入的, 所以它不符合我们对虚拟现实的定义:看着这张照片就不像是在那里。没有什么可以阻止我们在虚拟现实中进行探索，但我们需要去做的是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，你突然把头转向远处，你会看到并记住你实际上是在地球上且幻想会消失。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;同样,幻想会消失，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风格。以下是一些更大的变化：
完全沉入式
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。
协作的
《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
虚拟现实是20世纪80年代末90年代初最热门、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了一种在Web上构建虚拟世界的方法(使用一种类似于HTML的技术称为虚拟现实标记语言VRML)，普通人更感兴趣的是网络给他们提供了新的途径来获取真实的现实——新方法去发现和发布信息，购物，和朋友通过社交媒体分享想法，想法和经验。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(HMDs)
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(一个在每个眼睛前面)，一个遮罩遮住所有其他光线(消除现实世界的干扰)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。
数据手套
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，由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。
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
艺术作品:光纤数据是如何工作的。每根手指都有一根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，从侧面反射回来。(3)每根纤维的顶部都有微小的磨损，其中一些射线逃逸。你的手指弯曲得越多，就越容易逃离。(4)最后到达一个光电池的光量大致表明你的手指弯曲程度。一根电缆将这个信号传送到虚拟现实计算机。这是1992年版的dataglove VPL专利的简化版本，你会发现这个想法在美国专利5097,252中得到了更详细的描述。
魔杖
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。
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。
由美国宇航局艾姆斯研究中心提供。
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
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