虚拟现实 - 彭博社

心理学家称之为“悬置怀疑”。计算机专家称之为进入“虚拟现实”。无论是什么行话，它都无法开始描述在弗吉尼亚州阿灵顿的国防分析研究所发生的事情。

你坐在一个木质镶板的房间里，五角大楼国防高级研究计划局的模拟特别助理杰克·索普上校关掉灯，打开计算机——然后让你面前的三块五英尺的屏幕轰鸣着启动。瞬间，你被传送到一辆在伊拉克沙漠中行驶的坦克内部。你正在执行与第二装甲骑兵部队在“73 Easting”战役中相同的机动，这是海湾战争中的一场真实战斗。屏幕上的图形仅仅是视频游戏的质量。然而，这种幻觉有效：当炮弹朝你呼啸而来并在耳边爆炸时，你本能地躲避。

参与这项演习的士兵在计算机模拟战斗展开时咒骂或出汗并不罕见。还有其他事情发生：他们在与这些视频坦克小组练习后，战场敏锐度的得分显著提高。在国防预算缩减的时代，这种训练提供了宝贵的经验，而无需战争游戏的成本、损害和后勤麻烦。“我们将期望一支更小的军队掌握更广泛的技能组合，”索普说。“这是一个时机成熟的想法。”

新感受。与书籍、电影和电视剧《星际迷航：下一代》中宣传的“虚拟现实”愿景相比，网络空间坦克战斗显得原始。在那里，星际旅行者使用计算机召唤出福尔摩斯的伦敦或一个性感的约会。但正如DARPA的系统所证明的，计算机生成的世界并不需要超现实主义才能唤起现实生活。这个事实正在将虚拟现实变成一种炙手可热的技术。

关于虚拟现实（VR）存在很多混淆。但对大多数开发者来说，每个系统的核心是一个包含脑部扫描数据、汽车仪表盘规格、虚构景观描述的数据数据库——简而言之，可以表示几乎任何事物的数据。然后，一台配备复杂图形的强大计算机渲染出一个“世界”，通常是3D的，精确再现数据所描述的内容。VR显示器的种类繁多，从计算机显示器上的图像到73 Easting等剧院风格的显示，再到安装在VR参与者佩戴的头盔内的立体镜头上的投影。

无论采用何种方法，有两个特征使VR世界与其他计算机图形区分开来：越来越多地，它们传达多种感官信息——声音或触觉——以使环境更加真实。而且它们是互动的。在某些系统中，佩戴传感器手套的观察者可以像自然一样操控计算机中的物体。在其他系统中，屏幕上的图像或观察者的视角则通过鼠标或操纵杆进行操控。

例如，在纽约霍桑的IBM沃森实验室，一位工程师坐在投影屏幕前，看到一个光滑的米色仪表盘，成为1997年克莱斯勒的测试驾驶员。佩戴着3D眼镜和带有传感器的手套，他转动方向盘，伸手去按按钮，就像在一辆真实的汽车中一样。克莱斯勒公司正在与IBM开发该系统，希望通过让工程师在昂贵的原型车出现之前发现不便的位置旋钮和其他问题，从而缩短三到五年的汽车设计过程中的几个月时间。

`超越炒作。’ 被这种潜力所吸引，来自NASA和国防部到华盛顿大学（UW）的数十个政府、大学和工业实验室正在拥抱虚拟现实。在接下来的四年里，军方希望在模拟上花费超过5亿美元。今年秋天，陆军可能会授予额外的3.5亿美元、为期八年的合同，以创建一个先进的战场模拟网络。包括波音、AT&T、夏普和富士通在内的行业巨头也在投资数百万。在UW的人机界面技术实验室，约有19家公司成立了虚拟世界联盟，以将虚拟现实应用于商业。“忘掉游戏和电子性爱，”IBM的研究员布莱恩·刘易斯说。“我们已经超越了炒作，追求真正的应用。”

这对IBM、DEC、苹果、太阳微系统和图形工作站制造商硅图形等计算机巨头来说可能是一个福音。虚拟现实代表了一个潜在的大市场——也是他们强大机器的一个引人注目的卖点。包括Exos、Virtual Vision和Fake Space Labs在内的初创公司正在构建增强虚拟现实世界的设备——观看设备、声学芯片和传感器。Autodesk、Sense8、VPL Research等公司看到他们的财富在于商业可以使用的系统。

这有充分的理由。仅存在于电子以太中的网络空间世界可以成为建筑师、工程师和科学家手中的强大工具。它们还可以用于提高生产力、改善产品设计，并提供更具成本效益的培训。在医学领域，虚拟现实工具被用来创建3D X光，以帮助外科医生规划手术或在数英里外协助手术。心理学家希望利用这项技术来治疗患者并研究人类行为。艺术家和娱乐大亨正在开创新的吸引力——互动剧院、互动小说，甚至虚拟雕塑，这些网络空间作品挑战物理法则。

虚拟现实系统是否会达到它们在虚构作品中所展示的复杂程度尚不确定。该领域面临巨大的技术障碍：成功将依赖于硬件和软件的改进，以及对人脑和行为的新见解。随着系统变得更加“真实”，它们将提出棘手的伦理问题：虚拟现实是否会以传统媒体无法做到的有害方式影响人们？

尽管如此，虚拟现实的社会和经济潜力似乎是明确的。民主党副总统候选人阿尔·戈尔认为虚拟现实对“我们设计新产品、教育孩子和消遣时间的方式”至关重要，以至于去年他主持了关于其对美国竞争力价值的听证会。结论是：美国在这项技术上的投资不足。

对于虚拟现实的倡导者来说，这是一个错误。虚拟现实代表了“计算机的显现命运”，虚拟现实软件生产商Sense8的创始人埃里克·古利克森这样断言。通过创造色彩、形状、声音和触感的世界，这些系统应该能够增强人类思维的能力，以便在复杂的数据集中看到以前隐藏的关系，并更快、更全面地吸收、操控和解释信息。沉浸在虚拟现实世界与使用蓝图、数字或文本分析相同信息之间的区别“就像是看着水族馆和穿上潜水装备潜入水中之间的区别，”华盛顿大学人机界面技术实验室主任托马斯·法内斯说。

碰撞与抓取。只需问问诺斯罗普公司的工程师，他们正在使用Simgraphics工程公司的虚拟现实系统来帮助重新设计空军的F-18战斗机。他们在计算机上建模进气道，以确保它们能够通过隔板，而不是制造昂贵的硬模型。佩戴环绕式护目镜的操作员使用一种鼠标在虚拟空间中移动部件，确保它们能够正确结合。该软件甚至模拟阻力，因此工程师知道部件何时“碰撞”在一起。项目工程师罗伯特·E·乔伊喜欢这种灵活性：“就像伸手进入工作站抓取部件，”他说。

虚拟现实代表了二十年来第二次重大努力，旨在带来计算机的戏剧性演变。第一次的目标是人工智能，最初是构建能够模仿人类推理的系统，这一目标尚未实现。虚拟现实则是人工智能所尝试做的事情的对立面。它的目标是“扩展个人的能力”，西雅图虚拟现实软件初创公司WorlDesign的总裁罗伯特·雅各布森说。

这就是Maxus Systems International为纽约的TIAA-CREF养老金基金（资产达1050亿美元）设计的可视化工具为管理者所做的。跟踪一组股票相对于更大市场的表现对分析师来说是一项挑战，他们必须跟踪数百个不断变化的数字。使用Sense8的软件，Maxus系统将这些数字转换为一个3D示意图，显示移动的彩色方块，象征着在代表市场和行业部门的网格中的个别股票。它在个人计算机上运行，并利用来自金融电讯的实时数据。

一位专注于银行股票的分析师可能会瞥一眼计算机，注意到一个显示太平洋沿岸银行的方框是活跃的。方块是红色的，表示股票正在下跌。分析师使用鼠标“飞入”下跌最快的最低层股票，并点击下跌最多的证券。关于该银行的文本弹出。这个过程只需几秒钟，因此投资组合经理可以“识别趋势，识别例外，并更快做出决策，”Sense8总裁汤姆·库尔说。“这可以转化为巨额资金。”

飞行老鼠。这样的系统对于虚拟现实的纯粹主义者来说显得不足，他们认为只有佩戴有两个立体屏幕和耳机的头盔才能提供沉浸式体验。这样，你只能看到和听到计算机生成的内容，像在现实世界中一样与环境互动。在加利福尼亚州山景城的NASA艾姆斯研究中心，这种方法让你可以环顾火星表面，该表面是根据卫星数据重建的。头盔中的运动传感器让你可以朝任何方向看，计算机会重新渲染场景，以反映你对火星景观的新视角。

尽管如此，剧院风格的模拟和二维计算机显示同样可以非常强大。使用硅图形公司（Silicon Graphics Inc.）的系统，洛杉矶的城市规划者正在为骚乱受损地区构建一个80块乘80块的虚拟模型，以展示翻新计划。其价值在于：非专业人士很难阅读蓝图，而模型又很昂贵。然而，社区参与是至关重要的。这样，居民可以使用鼠标“飞”过街道，就像他们在直升机里一样。而设计师可以添加一个公园长椅或删除一个7-Eleven，测试那些生活在真实洛杉矶的人的建议。

使用计算机渲染有用环境的想法可以追溯到1960年代。然而，那时生成甚至粗糙的3D图形所需的计算能力是如此昂贵，只有国防部或NASA等政府机构，以及少数大学实验室能够负担得起。即使在今天，用于军事飞行模拟器的特殊头盔也可能花费100万美元。

这一领域开始引起关注是在1980年代中期，当时曾经的计算机黑客贾伦·拉尼尔（Jaron Lanier）创造了“虚拟现实”这个术语。1984年，他在加利福尼亚州福斯特城创立了VPL研究公司——第一家专注于虚拟现实世界的公司。VPL开发了关键的虚拟现实辅助设备——头戴式立体屏幕显示器，或称“眼耳机”，以及“数据手套”和“数据服”，使虚拟现实观众能够通过手势向计算机传达信息。戴上数据手套，虚拟世界中会出现一只手的图像，这样你就可以指向物体、拾起它们或指挥计算机。

然而，最重要的是，半导体芯片性能的持续提升和价格的下降正在推动虚拟现实的发展，使计算机制造商能够构建更复杂的图形系统。在高端，硅图形公司的新款10万美元“现实引擎”计算速度是大多数个人计算机的1000倍，使其能够在虚拟现实世界中提供快速渲染和实时运动。在低端，基于英特尔公司486芯片的桌面虚拟现实系统价格低至2万美元。奥多比公司多媒体总经理理查德·H·迪姆称这些系统的新编程工具和应用程序是软件开发的前沿。

娱乐是首批受益者之一。任天堂公司的99美元Powerglove是VPL公司8800美元Dataglove的简化版本，让视频游戏高手可以通过手势进行游戏，并已经帮助催生了一系列类似虚拟现实的视频游戏。虚拟世界娱乐公司的VR游戏网站“战斗中心”位于芝加哥，自7月开业以来，已售出约30万张每张7美元的票，玩家坐在封闭的驾驶舱中参与类似星球大战的战斗。该公司在日本有两个站点，并计划在未来三年内再开设17个。

“远程存在”。在商业中，许多虚拟现实技术将从当前的计算机系统中演变而来。计算机辅助设计（CAD）系统已经存在多年。增加虚拟现实的更高分辨率和互动性可以增强它们的实用性，正如克莱斯勒等公司正在发现的那样。

“远程存在”是一种虚拟现实工具，指的是对设备的远程操作，显示出类似的潜力。日本建筑公司藤田公司已聘请VPL帮助其建立一个系统，使东京的操作员能够在世界任何地方操控喷漆机器人。操作员在计算机上查看要喷漆的建筑物，然后操作控制信号指示机器人喷涂。通过虚拟现实，图像精确到令人惊叹的程度，以至于人类操作员在指挥操作时不会犯错。

在商业教育和职业培训中，虚拟现实的主要好处是降低成本。电力研究院与MITRE公司合作，旨在确定使用立体投影显示器的电厂控制室电子模型是否能有效培训电厂操作员。如今，化石燃料电厂的培训室成本高达100万美元。使用虚拟现实，成本可能降至10万美元以下。亚瑟·安德森咨询公司的新世纪系统总监休·W·瑞安表示，最终，虚拟现实世界将用于模拟商业互动——从销售谈判到一般管理问题——并将取代一些今天昂贵的研讨会和课程。

虚拟现实还可能帮助培训灵活制造的工人。波音公司的人工智能交互项目经理基思·巴特勒正在开发技术，将工作指令投影到组装工人佩戴的透明护目镜上或他们面前的工作空间中。理论上，以这种方式呈现的指令可以替代工人学习工作所需的数小时培训，然后在任务变化时必须重新培训。通过这样的显示，工人可能在同一天组装翼襟翼，然后切换到机头锥，几乎不会影响生产力。

在完善这些系统时，开发人员必须解决一些新颖的问题。为什么有些人在网络空间导航时会感到恶心？如果必须在复杂、逼真的图形和实况动作之间做出权衡，哪一个对维持现实的幻觉更重要？

这些问题的答案在于认知和行为科学。对大脑结构、信息处理方式以及人们思考和感知方式的更深入了解是关键。这样的研究已经表明，虚拟现实世界在培训中为何如此有效，西北大学学习科学研究所所长罗杰·香克表示。研究表明，通常人们基于案例、示例和经验进行推理或解决问题，而不是通过学习规则。“这就是为什么飞行模拟器是有史以来最好的教育软件，”香克说。

遗传线索。虚拟现实工作的一个关键假设是，当信息通过视觉、听觉和触觉呈现时，大脑能够更好地处理信息，而不仅仅是文本或数字。科学家们还发现，对某些视觉线索的反应——包括手眼协调能力、检测物体边缘的能力以及识别草地上运动的能力——是编码在基因中的。马萨诸塞大学洛威尔分校的心理学教授罗纳德·M·皮克特表示，我们的洞穴居住祖先最初是对周围世界的反应而发展出这些反应的。

皮克特和其他人正在设计模仿这些线索的软件图标。“我们想要欺骗视觉系统，以便在分析数据时引发快速、自然的感知过程，”他说。为此，他创建了一个看起来像草的图标。它的长度、曲线和弧度会变化，以表示诸如收入水平、年龄和性别等数值数据。每个图标可以传达多个特征，能够一目了然。

然而，人们是否将虚拟世界视为“真实”的体验并不完全依赖于实时运动、图形或视觉线索。其中一个最困难的挑战是赋予计算机角色人类特质。作为这一努力的一部分，位于匹兹堡的卡内基梅隆大学的计算机科学家约瑟夫·贝茨正在尝试创建虚拟现实戏剧——互动程序，其中计算机角色和人类合作创造故事或情境。起初，很难理解一个有四个弹跳小球的动画景观与此有何相关。这些小球唯一的活动就是上下跳动，它们应该轮流“领导”。但当一个球开始主导活动时，其他球会做出反应。它们改变颜色，或者减速。甚至有一个从红色变成蓝色，退到一个角落，身体起伏，去……嗯，闹情绪。

这些球似乎在表现情感并独立行动，因为贝茨和他的同事们根据行为理论对它们进行了编程。这些理论认为，情感——以及由此产生的行为——源于正在满足、对立或以其他方式受到影响的目标。当以这种方式编程时，这些球体开始表现得好像它们有“个性”，人们可以与它们产生共鸣。

`呕吐区。` 在这样的工作基础上，研究人员希望有一天能在虚拟世界中填充生物——无论是看起来像人类的还是其他的——让人们像与另一个人互动一样与它们互动。这些角色可能会分析问题、监控实验，或在商业模拟中扮演某个角色——比如一个热门的销售前景。它们可能会对语音命令做出反应，但也需要传达和理解更微妙的人类沟通方式，例如肢体语言。听起来很奇妙？对于富士通有限公司来说并非如此，该公司已在贝茨的工作上投资了25万美元。他的工作加强了富士通在“人工生命”方面的研究，这些计算机算法表现得像生物实体，并可能成为虚拟现实世界中计算机生成角色的基础。

微调使虚拟现实世界“真实”的感官和心理因素是进一步的技术挑战。经验表明，虚拟现实观众会适应低分辨率的显示器。大脑也能接受缓慢、颠簸的帧速率和更快的实时动作——每秒30帧。但在这两者之间，SRI国际虚拟感知项目的首席科学家托马斯·P·皮安塔尼达称之为“呕吐区”——每秒4到12帧。在这个速度下，大脑所期待的与所看到的之间的混淆可能会让观众感到恶心。直到计算机能够创建具有实时运动的复杂世界，皮安塔尼达的工作表明，运行粗糙的显示器速度快于在呕吐区内运行详细的显示器更为可取。

将声音放入虚拟世界是提高人们吸收信息能力的另一个关键。“我们的耳朵指引我们的眼睛，”NASA研究心理学家伊丽莎白·M·温泽尔说，她是将3D声音添加到虚拟环境的专家。例如，一名军用飞行员通常通过同一个耳机监控多达八个来自空中和地面来源的对话。温泽尔表示，使声音似乎来自不同方向有助于飞行员关注高优先级信息。NASA和Crystal River Engineering Inc.开发的一种新电路板能够产生3D声音，这将使在虚拟世界中加入声音变得更容易。这些芯片模拟声音波从不同方向撞击人耳的形状，创造出声音变大变小时的距离幻觉。

虚拟现实研究人员正在通过所谓的力反馈打开通往大脑的另一扇门户。这个想法是将重量、阻力或吸引力构建到操纵杆中，以便虚拟现实旅行者可以“感受”模拟物体。数字设备公司（Digital Equipment Corp.）的研究人员正在与外部化学家合作，模拟分子间的吸引和排斥力。他们的目标是在两年内开发出一种系统，帮助化学家在实验3D分子图像以开发药物和其他化学品时感受到这些力量。这一点很重要，因为看似兼容的分子往往并非如此。提前了解这一点可以帮助科学家避免走入死胡同。

虚拟现实世界变得越复杂，可能引发的争议就越多。一些心理学家希望在心理治疗中使用虚拟现实来改变患者的视角，或重建导致压力或其他问题的环境，以帮助治疗恐惧症、抑郁症和精神分裂症。计划使用虚拟现实治疗蜘蛛恐惧症的英国心理学家彼得·沃德认为，一些患者可能会觉得与机器相处比与人类治疗师更为舒适。

尽管如此，能够让士兵出汗的模拟可能会对脆弱的心理造成破坏。确实，一些人担心，虚拟现实的广泛使用可能会以有害的方式影响人们。沉浸在虚拟现实世界中会引发暴力，成为某些人的上瘾，还是导致对他人的计算机生成操控？要知道这一切还需要几年时间。但是，来自幻影工程公司的鲍勃·雅各布斯思考道：“我们最终可能需要一个网络空间的伦理规范。”

事实上，今年出现了一个切实的困境，当一个虚拟现实程序帮助在加利福尼亚定罪一名过失杀人者时。一些批评者认为，虚拟现实培训练习可能会改变对什么构成有价值的工作经验的看法。以两个核电厂经理职位的候选人为例。谁应该获得这个职位——一位有十年无失误经验的老员工，还是一位在灾难模拟中得分更高但经验较少的候选人？“这让一些等级制度的人感到非常害怕，”美国国家航空航天局人类因素研究部的首席工程师迈克尔·W·麦克格里维说。

模糊的视野。在虚拟现实系统能够发挥其全部潜力之前，仍然存在巨大的障碍。“我们需要一大堆仍处于初级阶段的技术，”虚拟现实先驱、北卡罗来纳大学计算机科学教授亨利·福克斯说。研究人员在改善今天常常模糊的头戴显示器方面进展缓慢。而将房间图像数字化并转化为虚拟现实环境的相机仍然难以实现：到目前为止，计算机无法足够区分边缘、线条和阴影，以将视频图像转换为三维。让编程、行为科学和硬件设计等多个学科协同工作以实现这些进展并非易事。

这个任务是如此艰巨，以至于一些虚拟现实的倡导者担心会被曾经困扰人工智能的炒作与绝望的循环所吞没。不过，虚拟现实代表了技术中的一个强大方向。不可避免地，随着计算机获得更多的能力，更多的工作将集中在使人类与机器之间的互动更加高效上。看看芝加哥的Battletech中心里一群充满激情的玩家们全神贯注地投入其中——对现实世界毫不在意——你不禁会想到，你正在看到心灵终极工具的雏形。