第二节　虚拟现实诞生期

虚拟现实诞生期主要包括虚拟现实基础理论的诞生及专用名词的出现，虚拟现实雏形设备的出现，真正意义上的虚拟现实设备的诞生，等等。虚拟现实诞生期的时间大致为1965年至1987年，其标志性事件为：1965年，美国科学家伊凡·苏泽兰（Ivan Sutherland）发表了一篇题为《Ultimate Display》的论文，首次明确提出了虚拟现实基础理论，并影响至今；1987年，杰伦·拉尼尔（Jaron Lanier）首次提出了虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）的专用名称并确定其相关内涵，沿用至今。1987年，杰伦·拉尼尔研发出世界上第一套真正意义上的虚拟现实设备VPL-EyePhone，具备今天虚拟现实设备的主要功能。

一、虚拟现实基础理论的诞生及专用名词的出现

1.科幻故事对虚拟现实状态的想象

1935年，美国科幻作家斯坦利·温鲍姆（Stanley Weinbaum）发表了一本不到40页的短篇科幻小说《皮格马利翁的眼镜》（Pygmalion’s spectacles）。小说中描述了主角只要戴上一套特殊的眼镜，就能进入一个可以模拟视觉、听觉、味觉、嗅觉和触感的前所未有的电影世界中。通过小说对体验过这种特殊眼镜的人的感受描述，我们可以看到不管是哪种让人进入类似梦境的虚拟世界的描述，体验者和虚拟世界的感知和交互方式，以及他们所穿戴的相关设备，总体上和今天我们所看到和体验到的虚拟现实设备和内容有着惊人的相似。可见，斯坦利·温鲍姆对于未来虚拟现实技术及体验内容的丰富想象是多么具有前瞻性。要知道那是距今近65年前，连计算机都还没有真正面市的时候。斯坦利·温鲍姆的《皮格马利翁的眼镜》也被公认为是探讨虚拟现实的第一部科幻作品。正是受到这篇科幻小说的启蒙，越来越多的人能够开启对虚拟现实世界认知的窗口，包括后来的理论家和践行者。

2.虚拟现实基础理论的提出

伊凡·苏泽兰在论文Ultimate Display中指出，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。它的概念包括：第一，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；第二，计算机硬件生成3D世界，当观察者转动身体或眼球时，场景会实时变化；第三，用户以现实的方式与虚拟世界中的对象交互的能力。

伊凡·苏泽兰认为：“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，这样的显示器可以营造出真正的爱丽丝走进的仙境。”伊凡·苏泽兰的论文Ultimate Display所描述的各项指标后来逐步成为虚拟现实技术研发各环节的重要参考。

3.虚拟现实专用名词的诞生

经历了1935年斯坦利·温鲍姆在科幻小说《皮格马利翁的眼镜》中对虚拟现实世界的想象性描述和1965年伊凡·苏泽兰在论文Ultimate Display中对虚拟现实基础理论体系的架构，人们对虚拟世界有了一定的主观认知和理论铺垫，但对于虚拟世界和相关技术依然没有一种相对明确的描述和称呼，一直到杰伦·拉尼尔的出现。杰伦·拉尼尔是一位集计算机科学家、艺术家、哲学家乃至思想家于一身的传奇式人物，他同时也是美国VPL Research（可视化虚拟编程实验室）公司的创始人。在杰伦·拉尼尔的带领下，VPL Research公司研发出了一系列技术水平领先的虚拟现实设备。

1987年，杰伦·拉尼尔首次提出了虚拟现实的专用名词及其相关内涵。虚拟现实的内涵是综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。其中，计算机生成的、可交互的三维环境称为虚拟环境（Virtual Environment，简称VE）。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它利用计算机生成一种模拟环境，利用多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。

至此，虚拟现实成为学术界和业界对虚拟世界及相关技术的通用称呼，该名词及相关内涵的界定也一直沿用至今。虽然后来有不同领域提出的增强现实（AR）、混合现实（MR）、扩展现实（XR）等名称和概念，其内容都是基于杰伦·拉尼尔的虚拟现实（VR）的名词和内涵，然后对其进行延展，但本质上并没有革命性的突破。

二、虚拟现实雏形设备的出现与优化

1. 1968年，“达摩克利斯之剑”首次实现了虚拟现实头戴式显示

前面已经讲到，美国科学家伊凡·苏泽兰在论文Ultimate Display中提出了相对完整的虚拟现实理论体系，并获得广泛认同，甚至沿用至今。伊凡·苏泽兰的理论并非凭空想象，而是来自自己多年在行业一线的研发、应用与总结。也就是说，伊凡·苏泽兰不只是科学理论家，他还是身体力行的科学实践家。1968年，伊凡·苏泽兰和他的学生鲍伯·斯普劳尔（Bob Sproull）创建了第一款连接到计算机而不是摄像机的虚拟现实头戴式显示设备。这款设备非常笨重，为了保证用户安全舒适佩戴，伊凡·苏泽兰将它和天花板相连，并用一根杆吊在人的脑袋上方，他们将这个设备形象地称为“达摩克利斯之剑”。通过这套设备，人们能够看到计算机生成的图形，这些图形是非常原始的3D线框。

2. 1969年，Glowflow首次实现了虚拟现实人机交互雏形“人工现实”

美国计算机艺术家兼互动艺术家迈隆·克鲁格（Myron Krueger）在威斯康星大学攻读博士学位期间从事了许多计算机互动及应用研究的工作，他于1969年创作了计算机数字艺术交互作品Glowflow。Glowflow是早期虚拟现实环境实现的雏形，被称为最早的“人工现实”作品。它是一个由计算机控制，以人响应作为输入的虚拟现实人机交互作品，是一个由计算机追踪控制环境、体验者参与行为控制和效果呈现的交互式计算机艺术作品。Glowflow被称为计算机数字信息时代第一个真正意义上的计算机互动艺术作品。该作品首次将艺术创作的焦点集中在体验者与计算机艺术作品之间的交互过程上，由体验者亲身参与计算机的互动过程，计算机再根据参与者的现场表现即时反馈出不同的艺术内容，进而实现不同人物的不同交互动作，呈现不同的交互艺术内容形态。Glowflow是虚拟现实核心技术领域——人机交互的重要体现，为后来虚拟现实在人机交互领域的发展提供了参考。

3.1985年，第一个用户与虚拟物体进行交互的Videoplace系统诞生

迈隆·克鲁格在创作完成具备人机交互雏形的作品Glowflow之后，进行了深入的研究和总结，提出了电脑互动的观念，并将虚拟现实的观念首次带入了艺术创作领域。1985年， 迈隆·克鲁格创建了第一个可以让用户与虚拟物体进行交互的虚拟现实人机交互系统Videoplace。下图显示的是迈隆·克鲁格人机交互系统Videoplace的用户体验效果与实现原理图。

下图显示的是体验者与Videoplace交互的过程及呈现出来的人机互动艺术作品的整体效果。从中可以看到，体验者在平面前做出不同的动作，计算机摄像头就可以捕捉到体验者的身体动态，然后将动态数据反馈给计算机，让计算机跟随动态数据生成一系列不同的画面效果。可见，在这个过程中汇总计算机对体验者动态的识别，以及根据动态数据进行数据反馈和作品再造，是Videoplace的技术重点。而这些技术恰好为虚拟现实技术在人机交互及计算机即时图形处理方面的研究提供了丰富的研究素材，为虚拟现实人机交互应用实现提供了较好的案例和依据。

三、虚拟现实初代完整原型机的诞生

真正的科学家从来不是只会纸上谈兵，他们提出理论的同时在应用研究方面也通常会研发出超乎常人的成果。就如同科学家伊凡·苏泽兰在Ultimate Display中提出了虚拟现实理论体系之后不久研发出虚拟现实头戴式显示设备“达摩克利斯之剑”一样。杰伦·拉尼尔也在提出虚拟现实的名词和内涵后，进一步展开实践应用研究，并于1987年开发出世界上第一套真正意义上的虚拟现实设备VPL-EyePhone。该设备拥有今天虚拟现实设备的主要功能。

从上面两组图片素材中，我们可以了解到VPL-EyePhone已经具备了现代虚拟现实系统基本的技术特征，如连接计算机获取计算机生成的3D图形数据，相对小型化的虚拟现实头戴式显示设备，以及头显设备与跟踪组件的用户运动追踪，等等。杰伦·拉尼尔带领VPL公司研发出包括Dataglove数据手套、EyePhone头戴式显示设备的一系列虚拟现实设备，并且致力于虚拟现实产品的商业化，将VPL公司逐渐发展成一家以制造虚拟现实软硬件产品为导向的公司。虽然后来VPL 在1992年末走向了破产，但作为全球第一家研发和销售虚拟现实产品的公司，他们为虚拟现实科技的进步和产业化发展做出了重要的贡献。

四、更多虚拟现实产品的出现

VPL-EyePhone出现后，虚拟现实技术开始完整地呈现出来，人们开始真正体验虚拟现实，并感受到其巨大的发展空间。越来越多企业投入虚拟现实产业中，研发出各种各样的产品，如Atari VR，Jaguar VR，CyberMaxx VR，IBM Project Elysium VR，Forte VFX1 VR Headgean，等等。

1. Atari VR和Jaguar VR

20世纪80年代，美国游戏开发商Atari公司研发出虚拟现实设备Atari VR。1992年，Atari推出新一代虚拟现实设备Jaguar VR。

2. CyberMaxx VR

1993年，美国虚拟现实四维电脑玩具公司Victor-Maxx Technologies研发的虚拟现实设备CyberMaxx VR，可运行《毁灭战士2》（Doom 2）。

3. IBM Project Elysium VR

1995年，国际商用电脑公司IBM推出沉浸式虚拟现实系统Project Elysium VR。

4. Forte VFX1 VR Headgear

1995年，美国Forte Technologies公司研发出Forte VFX1 VR Headgear。下图显示的是Forte VFX1 VR Headgear，左为体验者佩戴效果，右为设备的控制手柄Cyber Book。

虚拟现实基础理论的确立和具备相对完整功能虚拟现实技术的诞生推动了虚拟现实设备如雨后春笋般层出不穷。正是大量的虚拟现实设备的出现并融入大众和行业的应用中，才能够积累更多的用户信息和行业应用经验，进而逐步优化和完善相关技术。