Apr 01 2017
科学微讲堂之“虚拟现实”
在当今科技至上的时代，每一种新的科学发明都能让我们兴奋十足，因为这意味着我们的生活体验又会更丰富了，生活方式也会更方便了。然而，过去的生活经验却向我们表明，每一项新科学技术的出现都会伴随着潜在的风险，然后给我们带来一些意想不到的麻烦。比如，纳米技术虽然帮我们生产出抗菌的鞋子或者更轻巧耐磨的飞机零件，却也能增加某些癌症和肺病的患病率；多功能的智能手机与互联网结合，在帮助我们社交和娱乐的同时，也带来了更多的手机辐射和个人信息的泄露。
新近兴起的虚拟现实技术同样不会例外。“虚拟现实”几乎在一夜之间突然闯入我们的视野，它得到了谷歌、脸书、索尼等科技巨头的青睐，吊足了我们的胃口。但我们似乎很少认真想过，这种神奇的沉浸式体验究竟会对身心健康、道德伦理产生什么样的影响。
在探讨虚拟现实技术可能为人类带来的各种冲击之前，我们想看一看虚拟现实技术的原理：虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。相比较而言，利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模型，又有足够的时间，我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像，但是这里的关键是实时。例如在飞行模拟系统中，图像的刷新相当重要，同时对图像质量的要求也很高，再加上非常复杂的虚拟环境，问题就变得相当困难。
折叠看周围的世界时，由于两只眼睛的位置不同，得到的图像略有不同，这些图像在脑子里融合起来，就形成了一个关于周围世界的整体景象，这个景象中包括了距离远近的信息。当然，距离信息也可以通过其他方法获得，例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等。
在VR系统中，双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。
用户（头、眼）的跟踪：在人造环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态，而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头（眼）的方向来确定的。
跟踪头部运动的虚拟现实头套：在传统的计算机图形技术中，视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的，用户的视觉系统和运动感知系统是分离的，而利用头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来，感觉更逼真。另一个优点是，用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动去观察环境。
在用户与计算机的交互中，键盘和鼠标是目前最常用的工具，但对于三维空间来说，它们都不太适合。在三维空间中因为有六个自由度，我们很难找出比较直观的办法把鼠标的平面运动映射成三维空间的任意运动。另外一些性能比较优异的设备是数据手套和数据衣。人能够很好地判定声源的方向。在水平方向上，我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向，因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的，所以会有一种方向感。现实生活里，当头部转动时，听到的声音的方向就会改变。但目前在VR系统中，声音的方向与用户头部的运动无关。
它是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它将图像、声音、力量、运动甚至气味等多种信息融合起来形成动态的三维仿真环境，用户沉浸到这种环境里，可以感受到现实世界中无法得到的刺激。
所以，虚拟现实技术其实是一种工具，它好像是一把钥匙，可以为我们打开一扇进入虚拟世界的大门。这种工具如果想要达到良好的效果，最重要的就是给用户提供一种真正身临其境的体验，但难度显然是很大的，至少从现在看来，有些“先天不足”是难以克服的。
在虚拟现实技术开发圈里有一个著名的笑话，每当开出人员让体验者站起来走走的时候，这些体验者通常都不敢轻易地走动，因为他们头上戴着笨重的头盔，看不到脚下的路。这种头盔能够去掉么？至少现在还不行。动态的三维视觉体验是虚拟现实技术中最重要的部分，目前的虚拟现实设备都要通过某种头戴设备（比如头盔、眼镜）罩住你的眼镜，才能让你看到那个虚拟的世界。如果你还想体验听觉、触觉甚至嗅觉，那只能是在你身上佩戴更多的设备，然后将这些设备通过线缆或者无线网络连接到计算机上。
这样一套不自然的系统，不仅看上去显得有些愚笨，还不可避免地为使用者带来许多伤害。不如，过多的电磁设备带来了过多的电磁辐射，设备对运动的诸多擎肘只能让你感觉更加疲惫，各种佩戴设备长久的使用又会带来卫生问题和颈椎病问题等等。
在虚拟现实技术诸多潜在的身体伤害中，它造成的眩晕感以及对视力的伤害是最显而易见的。目前，即使最简洁的虚拟现实设备，比如Oculus Rift虚拟头盔或者谷歌虚拟现实眼镜，仍然对虚拟现实技术带来的眩晕感无能为力。
我们知道，人体的平衡系统是由大脑和小脑来控制协调的。当你的大脑从视觉系统接收到运动的景象时，就会沉默这是因为你的身体运动造成的，然后会指挥你的手脚进行相应的运动，小脑则释放特定的生物信号来在运动中保持平衡。如果你坐在汽车中或轮船上，你接受到的视觉信号其实是一直运动的，但是你的身体一直没动。大脑并没有支配手脚运动，但小脑接收到视觉信号是动的，动了就要保持平衡，所以小脑就给大脑反馈出错误的平衡信息，这样就使身体产生晕车或者晕船的感觉。
晕车或者晕船是很容易克服的，因为视觉信号平衡而真实，大脑和小脑稍作适应就可以互相协调好。但虚拟现实技术带来的视觉体验就不同了，各种意想不到的刺激场面接踵而来，以致于没当有人尝试佩戴虚拟现实头盔或者虚拟现实眼镜时，总免不了要摔得人仰马翻。
另外，无论虚拟现实头盔，还是虚拟现实眼镜，你所看到的内容或者是从计算机上直接移植过来的，或者是通过计算机控制的光场合成的。如果屏幕的分辨率不够高或者计算机控制光场的算法不太合理，这会让图像看起来很难受。作为沉浸式的体验，虚拟现实的环境也要根据你的一举一动做出反应，这需要计算机进行计算，会产生延迟。比如，当你快速转动的时候，开始的画面和最后定格的换面是清晰的，但中间的画面会有延迟，如果来不及计算的话就会产生动态的模糊。如果你已经转身了，几十毫秒后图像才跟上，你肯定会眩晕。另外，声音的光线色调、别扭的视觉场景，都会加剧眼睛的不适感。一些科学家就发出过警告，这些虚拟现实设备会对视觉系统造成压力，并可能会对孩子的视力造成永久性的损伤。
当然，随着虚拟现实技术的进步，也许体验会变得越来越真实，人体的种种不适感也因此渐渐消失。但问题是，当大脑足够深入地进入虚拟世界中，你还能否区分自己到底是在虚拟之中还是在现实之中？一些科幻作品已经告诉我们，当虚拟现实发挥到了极致，人们的精神似乎可以独立于肉体之外，那么此时你已经无法区分虚拟和现实了，这会带来危险。
关于沉浸式虚拟现实的优秀科幻作品有很多，最有名的的就是电影《黑客帝国》和《盗梦空间》。在前者的故事中，世界中每个人都认为他们都被连接到了一个巨大的计算机上，而这个计算机能非常精确地模拟现实生活，在《黑客帝国》中，你可以逃离虚拟世界并回到现实世界中，但如果虚拟世界的你死去了，那么你在现实世界中也会死去（《黑客帝国》并没有完全解释这一点，只是说“身体不能离开思想而活”）。在《盗梦空间》的故事中，道姆·柯布的妻子梅尔由于在二人所共同创造的梦境中生活太久而难以回归现实。她首先失去了回到现实的兴趣，因为在梦境中她已经体验到了“执子之手，地老天荒”的完美爱情。继而，在道姆·柯布想方设法让他们夫妻二人回到现实世界后，梅尔又因无法辨别自己所处的空间而酿成自杀悲剧，这使得柯布成为杀人嫌犯，亡命天涯。
也许，电影对于这些沉迷于“虚拟现实”者的写照过于夸张了，但很明显，人类的大脑对于生理和心理都具有强大的控制力，如果现实生活的体验能出发大脑产生诸如兴奋、恐惧、安慰、抑郁、强迫症、身体障碍等反应，那么美理由说高质量的虚拟现实体验不会引发类似的生理或心理上的反应。在虚拟现实中，逼真血腥的战争杀戮场面或者寂静岭中的恶魔难免不会让人心脏病发作；当你完全沉浸在虚拟现实中的疯狂飙车或者恐怖追杀时，同样可能因此撞到墙壁或者跳出窗外。
其实，虚拟世界深刻影响人们心理和生理的先例在生活中早已比比皆是，比如，科学家的一次实验显示，观看暴力电脑游戏的测试者，其攻击情绪被明显激发，而参与到暴力电脑游戏中的测试者的攻击情绪则更加显著。普通的电脑游戏尚且如此，那么深度真实的虚拟现实技术所能产生的影响不由得让人不寒而栗。也许，有人因虚拟现实技术的过于逼真而丧命只是个时间问题。
新近兴起的虚拟现实技术同样不会例外。“虚拟现实”几乎在一夜之间突然闯入我们的视野，它得到了谷歌、脸书、索尼等科技巨头的青睐，吊足了我们的胃口。但我们似乎很少认真想过，这种神奇的沉浸式体验究竟会对身心健康、道德伦理产生什么样的影响。
在探讨虚拟现实技术可能为人类带来的各种冲击之前，我们想看一看虚拟现实技术的原理：虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。相比较而言，利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模型，又有足够的时间，我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像，但是这里的关键是实时。例如在飞行模拟系统中，图像的刷新相当重要，同时对图像质量的要求也很高，再加上非常复杂的虚拟环境，问题就变得相当困难。
折叠看周围的世界时，由于两只眼睛的位置不同，得到的图像略有不同，这些图像在脑子里融合起来，就形成了一个关于周围世界的整体景象，这个景象中包括了距离远近的信息。当然，距离信息也可以通过其他方法获得，例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等。
在VR系统中，双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。
用户（头、眼）的跟踪：在人造环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态，而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头（眼）的方向来确定的。
跟踪头部运动的虚拟现实头套：在传统的计算机图形技术中，视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的，用户的视觉系统和运动感知系统是分离的，而利用头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来，感觉更逼真。另一个优点是，用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动去观察环境。
在用户与计算机的交互中，键盘和鼠标是目前最常用的工具，但对于三维空间来说，它们都不太适合。在三维空间中因为有六个自由度，我们很难找出比较直观的办法把鼠标的平面运动映射成三维空间的任意运动。另外一些性能比较优异的设备是数据手套和数据衣。人能够很好地判定声源的方向。在水平方向上，我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向，因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的，所以会有一种方向感。现实生活里，当头部转动时，听到的声音的方向就会改变。但目前在VR系统中，声音的方向与用户头部的运动无关。
它是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它将图像、声音、力量、运动甚至气味等多种信息融合起来形成动态的三维仿真环境，用户沉浸到这种环境里，可以感受到现实世界中无法得到的刺激。
所以，虚拟现实技术其实是一种工具，它好像是一把钥匙，可以为我们打开一扇进入虚拟世界的大门。这种工具如果想要达到良好的效果，最重要的就是给用户提供一种真正身临其境的体验，但难度显然是很大的，至少从现在看来，有些“先天不足”是难以克服的。
在虚拟现实技术开发圈里有一个著名的笑话，每当开出人员让体验者站起来走走的时候，这些体验者通常都不敢轻易地走动，因为他们头上戴着笨重的头盔，看不到脚下的路。这种头盔能够去掉么？至少现在还不行。动态的三维视觉体验是虚拟现实技术中最重要的部分，目前的虚拟现实设备都要通过某种头戴设备（比如头盔、眼镜）罩住你的眼镜，才能让你看到那个虚拟的世界。如果你还想体验听觉、触觉甚至嗅觉，那只能是在你身上佩戴更多的设备，然后将这些设备通过线缆或者无线网络连接到计算机上。
这样一套不自然的系统，不仅看上去显得有些愚笨，还不可避免地为使用者带来许多伤害。不如，过多的电磁设备带来了过多的电磁辐射，设备对运动的诸多擎肘只能让你感觉更加疲惫，各种佩戴设备长久的使用又会带来卫生问题和颈椎病问题等等。
在虚拟现实技术诸多潜在的身体伤害中，它造成的眩晕感以及对视力的伤害是最显而易见的。目前，即使最简洁的虚拟现实设备，比如Oculus Rift虚拟头盔或者谷歌虚拟现实眼镜，仍然对虚拟现实技术带来的眩晕感无能为力。
我们知道，人体的平衡系统是由大脑和小脑来控制协调的。当你的大脑从视觉系统接收到运动的景象时，就会沉默这是因为你的身体运动造成的，然后会指挥你的手脚进行相应的运动，小脑则释放特定的生物信号来在运动中保持平衡。如果你坐在汽车中或轮船上，你接受到的视觉信号其实是一直运动的，但是你的身体一直没动。大脑并没有支配手脚运动，但小脑接收到视觉信号是动的，动了就要保持平衡，所以小脑就给大脑反馈出错误的平衡信息，这样就使身体产生晕车或者晕船的感觉。
晕车或者晕船是很容易克服的，因为视觉信号平衡而真实，大脑和小脑稍作适应就可以互相协调好。但虚拟现实技术带来的视觉体验就不同了，各种意想不到的刺激场面接踵而来，以致于没当有人尝试佩戴虚拟现实头盔或者虚拟现实眼镜时，总免不了要摔得人仰马翻。
另外，无论虚拟现实头盔，还是虚拟现实眼镜，你所看到的内容或者是从计算机上直接移植过来的，或者是通过计算机控制的光场合成的。如果屏幕的分辨率不够高或者计算机控制光场的算法不太合理，这会让图像看起来很难受。作为沉浸式的体验，虚拟现实的环境也要根据你的一举一动做出反应，这需要计算机进行计算，会产生延迟。比如，当你快速转动的时候，开始的画面和最后定格的换面是清晰的，但中间的画面会有延迟，如果来不及计算的话就会产生动态的模糊。如果你已经转身了，几十毫秒后图像才跟上，你肯定会眩晕。另外，声音的光线色调、别扭的视觉场景，都会加剧眼睛的不适感。一些科学家就发出过警告，这些虚拟现实设备会对视觉系统造成压力，并可能会对孩子的视力造成永久性的损伤。
当然，随着虚拟现实技术的进步，也许体验会变得越来越真实，人体的种种不适感也因此渐渐消失。但问题是，当大脑足够深入地进入虚拟世界中，你还能否区分自己到底是在虚拟之中还是在现实之中？一些科幻作品已经告诉我们，当虚拟现实发挥到了极致，人们的精神似乎可以独立于肉体之外，那么此时你已经无法区分虚拟和现实了，这会带来危险。
关于沉浸式虚拟现实的优秀科幻作品有很多，最有名的的就是电影《黑客帝国》和《盗梦空间》。在前者的故事中，世界中每个人都认为他们都被连接到了一个巨大的计算机上，而这个计算机能非常精确地模拟现实生活，在《黑客帝国》中，你可以逃离虚拟世界并回到现实世界中，但如果虚拟世界的你死去了，那么你在现实世界中也会死去（《黑客帝国》并没有完全解释这一点，只是说“身体不能离开思想而活”）。在《盗梦空间》的故事中，道姆·柯布的妻子梅尔由于在二人所共同创造的梦境中生活太久而难以回归现实。她首先失去了回到现实的兴趣，因为在梦境中她已经体验到了“执子之手，地老天荒”的完美爱情。继而，在道姆·柯布想方设法让他们夫妻二人回到现实世界后，梅尔又因无法辨别自己所处的空间而酿成自杀悲剧，这使得柯布成为杀人嫌犯，亡命天涯。
也许，电影对于这些沉迷于“虚拟现实”者的写照过于夸张了，但很明显，人类的大脑对于生理和心理都具有强大的控制力，如果现实生活的体验能出发大脑产生诸如兴奋、恐惧、安慰、抑郁、强迫症、身体障碍等反应，那么美理由说高质量的虚拟现实体验不会引发类似的生理或心理上的反应。在虚拟现实中，逼真血腥的战争杀戮场面或者寂静岭中的恶魔难免不会让人心脏病发作；当你完全沉浸在虚拟现实中的疯狂飙车或者恐怖追杀时，同样可能因此撞到墙壁或者跳出窗外。
其实，虚拟世界深刻影响人们心理和生理的先例在生活中早已比比皆是，比如，科学家的一次实验显示，观看暴力电脑游戏的测试者，其攻击情绪被明显激发，而参与到暴力电脑游戏中的测试者的攻击情绪则更加显著。普通的电脑游戏尚且如此，那么深度真实的虚拟现实技术所能产生的影响不由得让人不寒而栗。也许，有人因虚拟现实技术的过于逼真而丧命只是个时间问题。
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2016-05-29 14:54
- kangle确实不错，很难提权
2014-09-06 10:30
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