1.2 VR技术的发展史

虚拟现实的渊源可以追溯到40多年前。1962年,美国专利号#3,050,870发布了Morton Heilig的一项题为“全传感仿真器”,它是第一个虚拟现实视频设备。在Heilig完成其发明的时候,没有人能意识到它所代表的技术发展方向。从政府、RCA、MGM到好莱坞,到私营企业,没有人想对他的发明投资。你能想象当今大家都想在这一技术上花钱时,他的感受如何。

Heilig“全传感仿真器”的主要组成部分有三维视频(由一对并排的35mm摄像机拍摄)、运动、颜色、立体声音、香气、风和一个可以振动的座位。它可以仿真骑车穿越纽约市的过程,“骑车人”能感受到风,感受到路面的颠簸,当经过饭店时“骑车人”甚至闻到食物的香味。

Heilig也设计了一个头戴式电视。这一设计被Ivan Sutherland继承和发展。1965年,Ivan Sutherland提出“The Ultimate Display”的概念。1966年,Sutherland在使用者眼睛前绑上两个CRT显示器,让使用者能看到立体的图像。大约40年后,现代的HMD(Head-Mounted Display,头盔式显示器)使用缩小的两个CRT或液晶显示器(LCD)安装在头部,原理上与Sutherland没有很大的差别,只是那时的CRT显示器比今天的要重得多,所以,Sutherland使用了一副机械臂来负担显示器的重量。这一机械臂还具备检测用户视角的功能。大多数今天的HMD使用非接触式位置跟踪器(如磁跟踪器或超声波跟踪器),但这项技术在20世纪60年代还没有被发明。

Sutherland与Heilig相比最大的进步在于,Sutherland意识到可以用计算机生成HMD中的场景,代替摄像机拍摄的模拟图像,并开始设计这样的“场景生成器”。这便是图形加速器的先驱。早期的图形场景生成器大约于1973年由Evans和Sutherland研制成功,但在1/20s内只能计算与显示200~400个简单的多边形。

这方面的研究引起了美国军方的兴趣。由于飞机模拟器可能花费数百万美元,而且是为特定的飞机型号设计的,当那个飞机型号过时后,该飞机的仿真器也便被淘汰。如果仿真器能做在通用平台上,飞机型号的改变可能只需要进行少量软件上的更新。看来,使用新型技术的优点是明显的。20世纪70年代和80年代早期,美国军方投入大量的经费开展了大量有关“飞行头盔”和军用现代仿真器的研究,但这方面的研究成果大部分被定为机密,未能正式出版。随着国防资金的削减,这方面的研究资助大为减少,一些研究开始由军用转为民用,促使了VR技术在更广泛的领域发展。

NASA是对现代仿真器感兴趣的另一个美国政府部分,他们需要仿真器帮助训练宇航员。由于实际生成一个与外层空间或遥远星球一致的环境很难或根本不可能,所以在1981年,在一笔很小经费的支撑下,他们生成了一个基于LCD的HMD原型,并命名为虚拟显示环境显示器(VIVED)。NASA科学家把Sony公司生产的产品“Watchman”TV进行简单的改装,在LCD前安装了特殊的光学镜头,用于把图像聚焦到眼睛相近的位置。NASA科学家集成了DEC PDP 11-40主计算机、由Evans和Sutherland设计的Picture System 2图形计算机和Polhemus非接触类跟踪器(图1-2),研制出第一个虚拟现实系统。跟踪器被用于测量用户的头部运动,并把测量数据传输给PDP。PDP主计算机再把这些数据编排后传给图形计算机,由图形计算机计算出新的图像,并立体显示在VIVED上。

图1-2 Polhemus非接触类跟踪器

1985年后,Scott Fisher加入该项目,他把新型的传感手套集成到仿真器中。手套最先是由Thomas Zimmerman和Jaron Lanier作为一个非程序员使用的虚拟编程接口开发的。到1988年,Fisher和Elizabeth Wenzel生成了第一个能操纵4个三维虚拟声源的硬件系统。它们能生成定位到任意空间位置的声源。这给仿真器提供了重要的扩展,原始的VIVED系统演变为VIEW(Virtual Interface Environment Workstation)。以前的软件被移植到HP9000型功能更强的计算机上。

进入20世纪90年代,虚拟现实研究热潮转移到民间的高科企业。研究出第一套数据手套的Jaron Lanier成为销售虚拟现实产品的第一家商业公司VPL公司的总裁,这家公司卖的第一套传感手套叫“DataGloves”,第一套HMD叫“EyePhone”。

在其他方面,标准化的虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language,VRML)为在Internet上构建可共享、可互换的一个虚拟环境奠定了很好的基础,VRML本身也由早期的VRML1.0发展到VRML2.0,再发展到VRML97,现在还在进一步发展中。分布式交互仿真标准化工作也由早期的SIMNET发展到分布式交互仿真DIS,再发展到如今的高层体系结构HLA。

虚拟现实系统已由单机系统发展到分布式虚拟现实系统,现在人们研究的比较热门的是支持协同工作的分布式虚拟现实系统,即协同虚拟现实系统。即由过去只支持多人共享,发展到需要支持多人相互感知、协同操纵等为目的的协同感知。

我们知道虚拟现实引擎是虚拟现实系统中最为关键的部件之一。过去负责实时渲染虚拟环境的虚拟现实引擎主要是基于计算机图形,即首先对真实世界进行抽象,从而建立起三维几何模型,一般用多边形表示。在给定观察和观察方向以后,利用计算机由模型实现多边形绘制、着色、消隐、光照以及投影等一系列绘制过程,产生虚拟环境。这种基于图形渲染技术所面临的主要问题是:一方面需要高性能的图形工作站,系统成本非常昂贵;另一方面需要三维建模,工作非常烦琐,而且往往需要专业人员,这部分的费用也相当高。为此,基于图像渲染技术被提出,并在近几年引起了人们的广泛关注。基于图像渲染与基于图形渲染不同,它是直接由照片图像来构造虚拟环境。这方面的研究起步较晚,还有大量的工作要做,但对虚拟现实系统的大面积推广应用起到较大的作用。

虚拟现实开发工具发展也迅速,1992年,英国Sense8公司开发出“WorldToolKit”,该软件包提供了一系列函数用于支持从更高的层次上开发虚拟实现应用,而且为用户屏蔽底层硬件上的差异,使用户只要分析与实现虚拟现实应用本身,而不需要考虑不同机型、不同操作系统、不同接口的硬件差异。WorldToolKit使开发虚拟现实应用变得更加科学化,测试时间也大大减少。随后,类似的软件相继推出,比较著名的有Vega、MR、dVS等。