1.1.2　VR与AR的发展简史

虚拟现实技术的发展经历4个阶段：

1．探索阶段（20世纪30年代—60年代）

虚拟现实这个词语最早出现在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》[2]中，该书被认为是探索虚拟现实的第一部科幻作品。该书介绍了以全息护目镜为基础的虚拟现实系统。

20世纪50年代，由电影摄影师莫顿·海利希（Morton Heiling）构想并创造了一个能够为人类所有感官提供体验的设备，并于1962年制造了首个原型系统，如图1-2所示，命名为“Sensorama”[3]，该设备在播放影片时能够同时为人类带来视觉、听觉、嗅觉、触觉的体验。他以驾驶直升机、骑自行车等运动体验为基础制作了5部电影。但是受限于当时人类的认知水平，并没有人能够认识到这是一项革命性技术。

1960年，莫顿·海利希发明了第一款头戴式显示器（head mounted display，HMD）——球形电子眼罩（telesphere mask）[4]，如图1-3所示，并注册了专利。该设备能够进行3D显示，并提供立体声。但是该设备无法进行交互，且缺少运动追踪功能。

1961年，两位美国飞歌（Philco）公司的工程师开发出了首款具有运动追踪系统的HMD——headsight[5]，该设备为每一只眼睛提供单独的显示屏幕和运动追踪系统，允许用户通过转动头部观察周围环境。该设备的设计初衷并非应用于虚拟现实，而是用于美国军方以沉浸式方式远程查看危险情况。该设备以闭路摄像机作为视频输入，缺乏计算机图形生成功能的集成。

1968年，计算机图形学之父伊凡·苏泽兰（Ivan Sutherland）开发了世界上第一台计算机图形驱动的虚拟现实头戴式设备[6]，该设备包含了头部位置追踪系统，如图1-4所示。受限于当时不成熟的软硬件设备，该设备过于沉重，在使用时不得不悬吊在房顶上，它也被后人称为“达摩克利斯之剑”。

2．萌芽阶段（20世纪70年代—80年代）

1971年，弗里德里克·布罗克斯研制了一款具有力反馈功能的原型系统——Grope-Ⅱ[7]。用户可以借助一个外部操作器对虚拟环境中的对象进行移动、抓取等操作，并且可通过传感器让用户感受到被操作物体的重量。

1974年，迈伦·克鲁格建立了一个名为Videoplace的实验室[8]，旨在让用户在不借助任何外部设备的情况下与虚拟环境交互。该系统还允许位于不同地方的用户在虚拟环境下进行通信。用户面对投影屏幕，通过摄像机拍摄用户的轮廓，与计算机生成的图形进行融合，然后再投影至屏幕上，通过传感器捕捉识别用户的身体姿态，可以在屏幕上显示爬山、游泳等情境，如图1-5所示。

1978年，麻省理工学院创建了阿斯彭电影地图（Aspen Movie Map）项目[9]，该项目通过采集阿斯彭城市每个季节各个城市街道的图片，经过计算机处理之后，为用户提供三种虚拟交互模式：夏季、冬季和三维模式。通过该系统，用户仿佛置身于阿斯彭城市，能够足不出户地浏览城市街景，如图1-6所示。

1983年，美国国防部（United States Department of Defense）制定了广域网仿真技术研究计划，随后美国硅图（SGI）公司开发了网络虚拟现实游戏空战（DogFlight）。

1985年，美国航空航天管理局NASA的斯科特·费舍尔（Scott Fisher）研发了数据手套（data glove）[10]。数据手套是一种轻柔的、可穿戴的手套装置，可以测量手掌的弯曲程度、关节的动作以及手指的分合等，通过计算机编程能够操控数据手套实现特定的功能。数据手套是虚拟现实外设最早的原型，与之原理类似的还有数据衣。

1986年，斯科特·费舍尔研发了第一套基于头盔和数据手套的VR系统虚拟交互环境工作站（virtual interactive environment workstation，VIEW）[10]。这是第一款相对完整的VR系统，不仅能够通过头戴设备进行沉浸式的体验，还可以通过外部设备进行场景交互，被应用到了科学数据可视化、空间技术等领域。

1987年，可视化编程实验室（visual programming lab，VPL）的贾瑞恩·拉尼尔（Jaron Lanier）[11]使得“虚拟现实”广为人知，至此虚拟现实成为计算机领域主要的研究方向之一。VPL研发了多种与虚拟现实相关的产品，包含数据手套、数据衣、眼镜电话、音量控制软件等，如图1-7所示。VPL成为第一家销售虚拟现实设备的公司。

3．发展阶段（20世纪90年代—21世纪初）

1991年，世嘉（SEGA）公司发行了世嘉虚拟现实（SEGA VR）耳机街机游戏和世嘉驱动器（Mega Drive）[12]。配备液晶显示屏、立体耳机和惯性传感器，能够追踪用户的头部运动，如图1-8所示。同时，推出了虚拟游戏，成为全球第一大的多人虚拟现实游戏平台。然而由于技术的限制，SEGA公司宣布该设备将永久处于原型阶段。现在看来，这无疑是SEGA公司的重大决策失败。

1991年，Virtuality Group推出了一系列街机游戏和设备[13]，如图1-9所示，玩家通过佩戴一套VR眼镜，能够在游戏机上体验沉浸式游戏，设备延迟低于50ms，同时，不同的设备能够借助于网络进行互联，从而为玩家带来多人游戏的体验。

1992年，卡罗莱纳·克鲁丝-内拉（Caro-lina Cruz-Neira）开发了大型VR系统——沉浸式投影（洞穴式自动虚拟系统，cave automatic virtual environment，CAVE）[14]，这是一种基于投影的虚拟现实系统，并在国际图形学会议上受到广泛关注。CAVE系统一般由4个投影屏幕组成，4个投影屏幕构成一个立方体结构，用户正前方、左侧和右侧采用背投投影方式，底面采用正投投影方式。通过高性能工作站向投影屏幕交替显示计算机生成的立体图像，观察者佩戴立体眼镜和一种六自由度的头部跟踪设备，将观察者的视点位置实时地反馈到工作站中，进而动态地调整投影画面的位置，提升观察者的真实感体验。

1995年，任天堂发布了Virtual Boy虚拟现实游戏机[15]，如图1-10所示。它被认为是第一款能够显示立体3D图形的游戏机。Virtual Boy配备一个能够显示3D图形的视频头戴显示器，通过视差的方式使人产生一种十分真实的深度幻觉，该设备还配备了一个控制器用于玩家与虚拟环境的交互。任天堂公司承诺该设备能够进行多人游戏，但是由于多种原因，多人游戏一直没有发布。此外，该设备存在定价过高、3D效果不够优秀、便携性差等问题而没有完成指定销售量，最终被任天堂公司下架。

1996年，世界首次虚拟现实博览会在伦敦开幕，这是一场没有场地、没有真实展品的虚拟博览会，用户可以通过互联网在全球各个角落观看这次博览会，浏览虚拟展品。

4．成熟阶段（21世纪初至今）

在进入21世纪之后，随着计算机技术的飞速发展，虚拟现实技术在软件和硬件方面都得到了较快提升，使得基于大型数据的声音和图像实时动画制作成为可能，极大地推动了虚拟现实技术在各行各业的应用。此外，多种新型实用的输入输出设备不断地出现，也为虚拟现实技术的生态构造补上了重要的一环。

在软件方面，以计算机图形学为基础的现代计算机绘制技术极大地提升了用户在虚拟现实环境中的真实感体验。这些技术包括：光线追踪（ray tracing）、光线投射（ray casting）、抗锯齿（anti-aliasing）、环境遮罩（ambient occlusion）、光子映射（photon mapping）等。尤其是随着英伟达公司在1999年8月发布了NVIDIA GeForce 256第一款现代意义上的显卡，以图形处理单元（graphics processing unit，GPU）为基础的绘制技术使得虚拟现实场景在真实感绘制方面有了更进一步的提升。

在硬件方面，许多商业化虚拟现实穿戴式设备逐步走进了人类的生活中。

2012年，Oculus Rift头戴式设备[15]在众筹网站Kickstarter上线，如图1-11所示，仅用3天时间就筹集到100万美元，首轮融资1600万美元。2013年推出了开发者版本[16]，并发布了20余款虚拟现实游戏。2014年，Facebook以20亿美元收购Oculus公司。2016年，推出了Oculus Rift CV1消费者版本。2018年推出了Oculus Go，配备宽四边形高清晰度（wide quad high definition，WQHD）显示屏，具有立体声效果，能够提供数千款VR游戏和全景视频体验。2020年，推出了第二代Oculus Quest，在渲染性能上进一步提升，单眼分辨率达到了1832×1920像素，显示屏刷新率达到90Hz，而且更轻，仅重503g。

2014年，谷歌推出了纸板眼镜Cardboard[17]，如图1-12所示，该项目是谷歌工程师花费6个月时间打造出来的实验项目，旨在打造一款将智能手机变成虚拟现实设备的原型设备。该设备售价仅15美元，用户也可以下载谷歌提供的图纸自己制作一个Cardboard。该设备为虚拟现实的普及打下了非常广泛的群众基础。

2016年，谷歌公司发布了Daydream虚拟现实平台[18]，同时发布了对应的解决方案，包含头戴式设备（图1-13）和遥控器的设计方案、手机硬件认证和应用商店开发等。兼容Daydream规范的手机标识为“Daydream-ready”。Daydream平台是在开源手机操作系统安卓（Android）的基础之上建立起来的，该平台实际上是为VR应用的开发提供了一套开发标准，为虚拟现实的规范化提供了一个参考。

增强现实起步稍晚。如图1-14所示，1968年伊凡·苏泽兰创建了第一个增强现实原型系统，它使用一个光学透视式头盔显示器，通过两个六自由度的跟踪器进行跟踪注册，但由于当时计算机处理性能的限制，只能实时显示非常简单的线框模型[19]。1992年，“增强现实”一词首次由波音公司在其设计的辅助布线系统中提出[20]。汤姆·考德尔（Tom Caudell）和戴维·米泽尔（David Mizell）认为，相比于虚拟现实，增强现实因为不需要对整个场景都进行渲染绘制，因此在算力和资源消耗上更具优势，但同时为了使虚实融合的精度更高、效果更逼真，对实时三维注册技术的要求更高了。1994年，保罗·米尔格拉姆（Paul Milgram）和岸野文雄（Fumio Kishino）提出了“现实——虚拟连续统一体”，描述了从真实环境到虚拟环境的跨度，真实场景和虚拟场景分布在两端，在这两者之间接近虚拟场景的是增强虚拟，接近真实环境的是增强现实，位于中间的部分统称为混合现实[21]。1997年，拉纳尔多·阿祖马（Ronald Azuma）提出的增强现实的定义认为增强现实技术应具有三个具体特征：三维注册、虚实融合以及实时交互[22]。目前米尔格拉姆和阿祖马提出的增强现实定义得到了世界范围内AR技术研究者们的普遍认可。