什么是虚拟现实？
虚拟现实（VR）意味着通过我们的计算机体验不了真正存在的东西。从这个简单的定义，这个想法听起来不是特别新鲜。例如，当你看到一个惊人的卡纳莱托绘画时，你正在体验意大利的地盘和声音，就像大约250年前一样 - 这就是一种虚拟现实。以同样的方式，如果你用眼睛闭上眼睛听环境乐器或古典音乐，并开始梦想着事物，这不是虚拟现实的一个例子 - 一个真正不存在的世界的体验吗？失去自己的书或电影怎么办？当然这是一种虚拟现实吗？
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，那么我们需要明确地定义VR。为了这个简单的介绍性文章的目的，我将其定义为：
一个可信的，交互式的3D电脑创造的世界，你可以探索，所以你觉得你真的在心灵和身体。
换句话说，虚拟现实本质上是：
- Believable可信的: 你真的需要像你在虚拟的世界（在火星，或者在哪里），并且坚持认为，或虚拟现实的错觉将消失。
- Interactive互动: 随着你的移动，VR世界需要与你一起移动。您可以观看3D电影，并将其运送到月球或者下载到海底，但在任何情况下都不会互动。
- Computer-generated计算机生成: 为什么这么重要？因为只有强大的机器，具有逼真的3D计算机图形，足够快，使可信的，互动的，替代的世界，随着我们的移动而实时变化。
- Explorable可探索: VR世界需要做大，细腻，让您有所探索。然而，从一个角度来看，绘画是一个现实，它只显示一个场景。一本书可以描述一个庞大而复杂的“虚拟世界”，但您只能以线性方式真正探索它，正如作者所描述的那样。
- Immersive沉浸: 为了既可信，又互动，VR需要与身体和心灵相融合。战争艺术家的绘画可以让我们瞥见冲突，但他们永远不能完全传达视觉，声音，嗅觉，品味和战斗感。您可以在家用电脑上玩一个飞行模拟器游戏，并在几小时内失去一个非常现实的互动体验（随着飞机飞越，景观将不断变化），但它并不像使用真正的飞行模拟器在一个真正的驾驶舱的液压操作的模型，并感觉到实际的力量，因为它提示和倾斜），甚至更少像飞机飞行。
作品：意大利威尼斯的卡纳莱托绘画是可信的，在某种意义上是可探索的（你可以移动你的眼睛，思考图片的不同部分），但它不是互动的，计算机生成的或沉浸式的，所以它不满足我们对虚拟现实的定义：看这张照片并不像现在那样。没有什么可以阻止我们在VR中做出可探索的等同物，但是我们需要CGI而不是油漆。图片由维基共享资源提供。
我们可以看到，为什么读一本书，看一幅画，听古典交响乐，或看电影，不符合虚拟现实的条件。所有这些都提供了另??一个现实的部分瞥见，但没有一个是互动的，可探索的或完全可信的。如果你坐在电影院里看着一幅巨大的火星在屏幕上的照片，你突然转过头，你会看到并记得你实际上是在地球上，幻觉就会消失。如果您在屏幕上看到有趣的东西，您就无法触及它，或者走向它;再一次，错觉就会消失。所以这些娱乐形式基本上是被动的：尽管他们可能是合理的，但他们并没有以任何方式积极地与你交往。
VR是完全不同的。它使你认为你实际上生活在一个完全可信的虚拟世界（其中一个，使用技术术语，你是部分或完全沉浸）。它是双向互动的：当您回应所看到的内容时，您所看到的对您的回应如下：如果您转过头，您在VR中看到或听到的变化与您的新视角相符。
虚拟现实的类型
“虚拟现实”经常被用作引人入胜的互动视频游戏甚至3D电影和电视节目的营销流行词，其中没有一个真正算作虚拟现实，因为它们不会完全或部分地融入虚拟世界。在您的手机应用商店中搜索“虚拟现实”，您会发现数百次点击，即使一个小的手机屏幕永远不会在任何地方产生令人信服的VR体验。然而，像互动游戏和电脑模拟这样的事情肯定会满足上面我们定义的一部分，所以有很多不止一种构建虚拟世界的方法和多种虚拟现实的风格。以下是一些较大的变体：
完全身临其境
对于完整的VR体验，我们需要三件事情。首先，一个合理而丰富的虚拟世界来探索;一个计算机模型或模拟，换句话说。第二，一个强大的电脑，可以检测到我们正在进行的，并相应地调整我们的体验，实时（所以我们看到或听到的变化，就像我们移动一样快 - 就像在现实中）。第三，硬件连接到电脑，让我们漫步在虚拟世界中。通常，我们需要戴两个屏幕和立体声的头戴式显示器（HMD），并佩戴一个或多个感官手套。或者，我们可以在一个房间内移动，装有环绕立体声扬声器，从外部投影出更改的图像。我们稍后会详细探讨VR设备。
非沉浸式
家用电脑中高度现实的飞行模拟器可能符合非虚构的虚拟现实，特别是如果使用非常宽的屏幕，耳机或环绕声，以及逼真的操纵杆和其他控件。不是每个人都想要或需要完全沉浸在另一种现实中。建筑师可能会建立一个新建筑物的详细3D模型，向客户展示可以通过移动鼠标在桌面计算机上进行探索。大多数人会将其归类为一种虚拟现实，即使它不完全沉浸在你身上。以同样的方式，计算机考古学家经常创造出可以移动和探索的长期失落的定居点的引人入胜的3D重建。他们不会让你回到数百或数千年，或者创造出史前的声音，气味和口味，但是比??少数柔和的图画甚至是动画电影，它们的经验要丰富得多。
协同合作
“虚拟世界”游戏如“第二人命”和“小说”呢？他们算作虚拟现实吗？虽然他们符合我们的前四个标准（可信，互动，电脑创造和探索），但他们并没有真正达到第五个标准：他们并没有完全沉浸在你身上。但是，他们提供的一件事是，尖端的VR通常不是协作：与其他人在虚拟世界中分享经验的想法，通常是实时的或非常接近的。未来，协作与共享可能成为VR的日益重要的特征。
基于网络
虚拟现实是20世纪80年代末和90年代初期发展最快，发展最快的技术之一，但随着万维网的迅速崛起，很大程度上消除了利益。即使计算机科学家们开发了一种在网络上构建虚拟世界的方式（使用类似于称为虚拟现实标记语言（VR Reality）的HTML技术）的普通人对网络给予他们新方式访问真实现实感到更加感兴趣，通过社交媒体查找和发布信息，购物和分享想法，想法和经验的新途径。随着Facebook对技术的兴趣越来越大，VR的未来似乎可能是基于Web的和协作的。
增强现实
飞机飞行员的头顶显示。
照片：增强的现实：像美国空军使用的一个单独的显示器，将您有用的，基于计算机的信息叠加在你自己看到的东西之上。乍得?吉布森少将由美国空军提供。
像智能手机和平板电脑这样的移动设备已经把以前的超级计算机电源放在了我们的手中。如果我们在世界各地徘徊，也许参观像金字塔或一个我们从未去过的迷人的外国城市的遗产，我们想要的是一般不是虚拟现实，而是增强了我们可以看到的激动人心的现实我们前面这产生了增强现实（AR）的想法，例如，您将智能手机指向地标或醒目的建筑物，有趣的信息将自动弹出。增强的现实是将我们所体验到的现实世界与我们在网络上共同创建的广泛的虚拟信息世界相联系。这两个世界都不是虚拟的，但是同时探索和浏览这两个世界的想法却与虚拟现实息息相关。例如，移动设备如何确定其在世界上的确切位置？您在平板电脑的屏幕上看到的东西在您漫步城市时会如何变化？从技术上讲，这些问题与VR系统开发人员的解决方案类似，所以AR和VR之间有紧密联系。
虚拟现实需要什么设备？
闭上你的眼睛，想想虚拟现实，你可能会看到像我们的顶级照片：穿着环绕耳机（HMD）和数据传输的极客，连接到强大的工作站或超级计算机。什么区别VR与普通的计算机体验（使用你的电脑写一篇文章或玩游戏）是输入和输出的性质。普通电脑使用诸如键盘，鼠标或（更为外在的）语音识别功能的输入，VR使用传感器来检测身体的移动方式。而PC在屏幕（或打印机）上显示输出，VR使用两个屏幕（每个眼睛一个），立体声或环绕声扬声器，以及某些形式的触觉（触摸和身体感知）反馈。让我们快速浏览一些更常见的VR输入和输出设备。
Head-mounted displays (HMDs)头戴显示器（HMD）
虚拟现实头戴式显示器
照片：从里面看。一个典型的HMD有两个微小的屏幕，显示不同的图片给你的每只眼睛，所以你的大脑产生一个组合的3D（立体）图像。图片由美国空军提供。
VR和普通电脑屏幕之间有两个很大的区别：在VR中，您会看到一个3D图像，当您移动头部时，您可以实时地进行更改。这是通过戴头戴式显示器，看起来像一个巨大的摩托车头盔或焊接遮阳板，但由两个小屏幕（每个眼睛前面）组成，一个遮光罩，遮挡所有其他光线（消除分心现实世界）和立体声耳机。两个屏幕显示略微不同的立体图像，创造出虚拟世界的逼真3D视角。 HMD通常还具有内置的加速度计或位置传感器，因此它们可以精确检测您的头部和身体的移动方式（位置和方向 - 倾斜或指向的方式），并相应地调整图像。 HMD的麻烦在于它们相当沉重，所以他们可能很疲劳，长时间穿;一些真正重的人甚至被安置在平衡架上。但是，HMD不需要如此精巧和复杂：在另一方面，Google开发了一种经济实惠的低成本纸板护目镜，内置镜头，将普通智能手机转换成粗HMD。
Immersive rooms沉浸式客房
放置HMD的替代方法是坐在或站在房间内，墙壁上的墙壁从外面投影。当你在房间里移动时，图像会相应变化。飞行模拟器使用这种技术，通常将景观，城市和机场方式的图像投影到位于驾驶舱模型外部的大屏幕上。由Thomas de Fanti在伊利诺伊大学开发的一个着名的20世纪90年代的VR实验叫做CAVE（Cave Automatic Virtual Environment），也是这样工作的。人们在一个大型的立方体房间里移动着半透明的墙壁，立体图像从外面反投影。虽然他们不必穿HMD，但他们确实需要立体眼镜来体验全3D感知。
Datagloves数据手套
看到惊人的东西，你的自然本能就是伸出手来触摸它 - 甚至婴儿都这样做。所以给人们处理虚拟对象的能力一直是VR的重要组成部分。通常，这是使用datagloves完成的，这是使用传感器连接到外部以检测手和图形运动的普通手套。一种这样做的技术方法是使用延长每根手指长度的光纤电缆。每根电缆都有微小的切口，所以当你弹奏你的手指来回走动，或多或少的光线逃逸。电缆末端的光电池测量光线达到多少，计算机使用它来确定您的手指正在做什么。其他手套使用应变计，压电传感器或机电设备（如电位计）来测量手指的运动。
虚拟现实数据的特写
一个虚拟现实数据的特写，显示单个指关节和手指如何被监视。
照片：左/上：美国宇航局在20世纪90年代生产的EXOS数据表具有非常复杂的外部传感器，以高精度检测手指运动。图片由NASA马歇尔太空飞行中心（NASA-MSFC）提供。右/下：这个更精细的EXOS手套在每个手指片上都有单独的传感器，连接到连接到主VR计算机的单条带状电缆。由韦斯·西斯勒（NASA Ames Research Center）提供的图片。
虚拟现实头戴式显示器
艺术品：光纤数据传输的工作原理。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）将光线照射到电缆中。 （2）光线击落电缆，从侧面弹起。 （3）每根纤维的顶部有一些微小的磨损，一些光线通过它们逃逸。你的手指伸长越多，越轻越好。 （4）结束时到达光电管的光量大概表示你的手指弯曲多少。 （5）电缆将该信号传送到VR计算机。这是1992年获得专利的Dataglove VPL的简化版本，您可以在美国专利5,097,252中更详细地介绍这一想法。
Wands魔杖
魔术棒甚至比数据广播更简单，它是一个可以用来触摸，指向或以其他方式与虚拟世界交互的棒。它具有内置的位置或运动传感器（例如加速度计），以及类似鼠标的按钮或滚轮。最初，魔杖笨拙地连接到主VR计算机;越来越多的是无线的。
手持式虚拟现实控制器
照片：典型的手持式虚拟现实控制器（带有弹性带），看起来与视频游戏控制器不同。照片由NASA Ames研究中心提供。
Applications of virtual reality虚拟现实的应用
虚拟现实一直遭受到这样的看法，它只不过是一个荣耀的街机游戏 - 从现实看，这是一个“梦幻般的逃脱”。在这个意义上，“虚拟现实”可能是一个无益的误称; “替代现实”，“人造现实”或“计算机模拟”可能是更好的术语。关于虚拟现实的关键在于，真的不是一个时尚或幻想等待着将人们吹回到另类世界的翅膀;科学家，医生，牙科医生，工程师，建筑师，考古学家和军人在过去30年间常常使用这种硬实践技术。我们可以做什么样的事情呢？
Education教育
虚拟现实飞行员培训系统
照片：飞行训练是虚拟现实的经典应用，尽管它不使用HMD或数据。相反，您坐在一个假装的驾驶舱，改变投影到巨型屏幕上的图像，以给人看到您从飞机上看到的视野。驾驶舱是一个真正的飞机的精细复制品与完全相同的仪器和控制。哈维尔加西亚照片由美国空军提供。
困难和危险的工作很难训练。你如何安全地练习空中旅行，登陆大型飞机，降落伞跳跃或进行脑外科手术？所有这些都是虚拟现实应用的明显候选者。正如我们已经看到的，飞行驾驶舱模拟器是最早的VR应用程序之一;他们可以追溯到20世纪20年代由Edwin Link开发的机械模拟器。就像飞行员一样，外科医生现在经常使用VR进行训练。在2008年来自28个不同国家的735名外科学员的研究中，有68％表示，用VR训练的机会对他们来说是“好”或“优”，只有2％的人认为它是无用的或不合适的。
科学可视化
发生在原子或分子尺度的任何东西都是有效地看不见的，除非你准备好将眼睛粘在电子显微镜上。但假设您想要设计新材料或药物，并且想要实验乐高的分子等同物。这是虚拟现实的另一个明显的应用。分子结构的数字，方程式或二维图，而不是摔跤，您可以将复杂的分子束缚在眼前。这种工作始于20世纪60年代在北卡罗来纳大学教堂山，在那里，弗雷德里克·布鲁克斯（Frederick Brooks）推出了GROPE，该项目是开发VR系统，用于探索蛋白质分子和药物之间的相互作用。
NASA Ames科学家利用虚拟现实耳机，数据手套和桌面控制器来探索火星。
照片：如果你要去火星，虚拟现实中的旅程可以帮助你看到你到达那里时会发现什么。图片由NASA Ames研究中心提供。
Medicine医学
除了在外科手术和药物设计等方面的应用外，虚拟现实还可以远程医疗（远程监控，检查或操作患者）。这个逻辑上的扩展有一个外科医生在一个位置连接到虚拟现实控制面板和机器人在另一个位置（也许整个大陆）挥舞刀。最着名的例子是2009年发布的达芬奇手术机器人，其中几千个已经在全世界的医院安装了。介绍协作，有一群世界上最好的外科医生在一个特别困难的手术中合作的可能性 - 一种维基手术，如果你喜欢的话！
Industrial design and architecture工业设计与建筑
建筑师曾经用纸和纸制造模型;现在，他们更有可能建立虚拟现实的电脑模型，您可以走过并探索。同样的道理，在电脑屏幕上设计汽车，飞机和其他复杂，昂贵的车辆通常比在木材，塑料或其他现实世界的材料中进行建模更便宜。这是虚拟现实与计算机建模重叠的领域：而不是简单地为人们提供一个沉浸式的3D视觉模型来检查和探索，您正在创建一个可以测试其空气动力学，安全性或其他质量的数学模型。
Games and entertainment游戏和娱乐
从飞行模拟器到赛车游戏，VR长期以来一直徘徊在游戏世界的边缘 - 从来没有足够的革命性的游戏玩家的体验，主要是由于电脑太慢，显示缺乏完整的3D，缺乏体面的HMD和datagloves。随着可负担得起的新外设如Oculus Rift的发展，所有这些可能即将改变。
Pros and cons of virtual reality虚拟现实的利弊
像任何技术一样，虚拟现实既有好坏，也有坏点。我们中有多少人宁愿在VR训练的外科医生进行复杂的大脑操作，与只读书或观看同龄人的人相比，我们有多少人会在踏上路面前，在汽车模拟器上练习驾驶？或者坐在Jumbo Jet上放松身心，自信我们的飞行员在这个机场进行了几次登陆，数十次，在VR模拟器中，然后才踏上真正的驾驶舱？
评论家总是提出人们被替代现实诱惑的风险，忽视了他们现实世界的生活 - 但这种批评在广播电视，电脑游戏和互联网等方面都得到了改善。而且，在某种程度上，它成为一个哲学和伦理问题：什么是真实的？谁是说哪个是更好的方式来传递你的时间？像许多技术一样，VR从现实世界中几乎没有任何意义：如果不想，VR不需要使用它。
至少在过去的四分之一个世纪里，虚拟现实的承诺已经在计算机世界中占有一席之地，但仍然在很大程度上未能实现。虽然科学，建筑，医药和军事都以不同的方式依赖于VR技术，但主流采用仍然存在;我们不是常规地使用VR，我们使用电脑，智能手机或互联网。但是2014年，通过Facebook收购VR公司的Oculus对该地区的兴趣大增，并可能改变一切。 Facebook的基本想法是让人们通过互联网和网络与他们的朋友分享东西。如果您不仅可以分享照片或链接到网络文章，而且可以分享整个体验，该怎么办？而不是与Facebook的朋友分享你的婚礼照片，如果您能够让人们在虚拟现实中永远参与婚礼，那该怎么办？如果我们能够以这样一种方式记录历史事件呢，一次又一次地体验他们呢？这些是社会，协作的虚拟现实分享（我们可能会猜到）Facebook正在考虑探索现在。如果是这样，虚拟现实的未来确实非常明亮！
A brief history of virtual reality虚拟现实的简史
对于未来如此之多，但是过去是什么。虚拟现实有着悠久而丰富的历史。这里有一些更有趣的亮点...
Morton Heilig的Sensorama，如他1962年的美国专利US3050870所示。
作品：第一台虚拟现实机？ Morton Heilig的1962年Sensorama。图片由美国专利商标局提供。
- 1890年代：托马斯·爱迪生和他的助手威廉·迪克森先生开创了Kinetograph（摄影机拍摄照片）和Kinetoscope（一台投影机播放他们） - 效果是第一个一个人的“电影体验”。
- 1895年：法国兄弟奥古斯特和路易·卢米埃尔在法国巴黎开设了第一座电影院。传说中，他们的电影短片“La Ciotat的火车到达”是对现实的这样一个令人信服的描述，观众中的人们尖叫着跑到房间的后面。
- 1929年：Edwin Link开发了一个机械飞机模拟器的Link Trainer（也称为Pilot Maker）。他的工作开创了飞行模拟领域。
- 1950年：美国空军心理学家詹姆斯·吉布森（James J. Gibson）出版了一本有影响力的书“视觉世界的感觉”，描述了人们在世界各地如何看待和体验事物作为“视觉流”。这些想法，以及同时代人，如阿德伯·阿姆斯（Adelbert Ames），都有助于形成20世纪视觉感知心理学的基础，从而进入电脑视觉和虚拟现实的学术研究。
- 1956年：摄影师Morton Heilig开始开发可以产生人为感官体验的机器。在1957年，他开发了一个开创性的3D头戴式显示器。在1962年，他被授予一台称为Sensorama（一种更新，高度复杂的Kinetoscope）的机器专利，可以将用户沉浸在人造视觉，声音，嗅觉和振动中。许多人认为海利格是虚拟现实的真正父亲，尽管他很少被公认。
- 1961年：C. Comeau和J. Bryan制作了第一个真正的头戴式显示器的Headsight。
- 1962年：Ivan Sutherland是人机交互的先驱，开发了Lightpen和一个名为Sketchpad的程序，让人们可以在电脑屏幕上画一个虚拟现实中使用的计算机图形的方式。
- 1965年：萨瑟兰（Sutherland）开发出极致的显示器（HMT）。
- 萨瑟兰生产具有立体声（3D）视觉的HMD。
- 20世纪70年代：计算机科学家Myron Krueger开创了Videoplace，一个开创性的VR实验室。
- 1975 - 1976年：程序员将Crowther开发冒险（也称为巨人洞冒险），这是一个非常有影响力的基于文本的电脑游戏，玩家可以通过一个问题和答案对话框来探索虚拟世界，解决问题。
- 1977年：Dan Sandin，Richard Sayre和Thomas Defanti制作了第一个数据。
- 20世纪80年代：快速3D图形工作站，特别是由Silicon Graphics开发的3D图形工作站，加速了科学可视化，视觉计算机建模，CGI电影和VR的开发。
- 1982年：Tron，一个开创性的CGI电影，讲述了一名软件工程师（由演员Jeff Bridges扮演）的故事，他们冒险进入大型计算机的软件。
- 1983年：计算机科学家Myron Krueger将“人造现实”这个术语硬币化。
- 1983年：作家威廉·吉布森发明了相关术语“网络空间”。
- 1989年：计算机科学家和音乐家Jaron Lanier：硬币现在是“虚拟现实”的首选术语。他的VPL研究公司获得了巨大的媒体关注，并开发了先进的VR外设，包括HMD和数据采集。从那以后，Lanier一直被广泛地称为“虚拟现实之父”，但是，正如这个时间表所示，他已经相当迟到了！
- 1992年：另一个有影响力的VR电影基于Stephen King故事的割草机部分来自于VPL的故事。
- 1993年：Robyn和Rand Mill兄弟创造了一个极其成功的图形电脑游戏Myst，玩家在非沉浸式虚拟现实中探索一个岛屿。
- 1994年，Dave Raggett，一位在万维网发展中发挥关键作用的有影响力的英国电脑科学家，硬币术语VRML（虚拟现实标记语言）。
- 1999年：The Matrix是基于虚拟现实的基努·雷夫斯主演的电影，票房总计超过4.5亿美元。
- 2011年：Palmer Luckey在父母的车库里开发了一种廉价的自制HMD Oculus Rift。
- 2014年：Facebook宣布以价值20亿美元的交易收购Oculus。
- 2016年：Oculus开始将其Rift耳机发货给客户进行正面评价。同时，各种智能手机制造商（包括三星和HTC）都制造出相对应的VR系统，VR也出现在PlayStation上，Google宣布已经为智能手机出货了500万个纸板头戴式显示器。
- 2017年：索尼公布，它在市场上头四个月销售了近一百万台PlayStation VR耳机。