几天前微软发布了它的虚拟现实设备 Hololens，今天又有消息说 Oculus Rift 将会在 2016 年上市，本网志就来凑个热闹，粗浅地说说虚拟现实 （Virtual Reality ) 技术的发展现状与应用前景。
概念简析
所谓虚拟现实，简单说就是用特定的技术手段呈现的影像使人脑产生身临其境的错觉，在某些计算机视觉（Computer Vision）或者多媒体技术的学术会议上，又称为 immersive experience。当然除了视觉上的模拟，完整的虚拟现实还包括仿真听觉，表面力反馈等等技术提供听觉和触觉上的虚拟，但是考虑到人脑接受的信息有大约 80% 是来自视觉，本文将介绍范围局限在虚拟现实的视觉仿真方面。
虚拟现实和增强现实（augmented reality）是两个比较难以清晰分离的概念。就我自己的理解而言，增强现实着重于揭示现实场景中的间接信息，影像中应该不太包括无中生有的计算机生成的对象。 比如，在实时街头影像上叠印如下信息：某幢大楼里都有哪些机构；离你最近的公共厕所在哪里；下一个街区的某个地方就住着你的好友张三， 张三有跟你分享过他热爱西班牙火腿的消息，如果去拜访他，不妨带上一些 Serrano 火腿作为礼物；诸如此类，等等等等。
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| 增强现实图例，图片来自互联网 |
而虚拟现实中，我又将之分为强虚拟和弱虚拟。像上面 HoloLens 的宣传视频中演示的，那个眼镜还是向人展示了眼前的现实场景，但是那个程序在地板位置上又安置了一只完全由计算机生成的虚拟狗狗跟人互动，这种建立在人所处的真实场景的虚拟现实，我称之为弱虚拟现实。其实，那个眼镜不难将使用者周围的真实场景屏蔽掉，而向人眼投射完全由计算机生成的三维场景和这个场景中的种种可以跟人互动的对象，如此这般，我称之为强虚拟现实。弱虚拟现实和增强现实之间的界限十分模糊，我个人还是倾向于仅仅将纯粹基于现实场景的信息揭示界定为增强现实。许多虚拟现实的应用中有融合了增强现实的信息呈现手法， 比如文首视屏中那个悬浮空中的气象预报盒。
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| 弱虚拟现实图例，天上那只鸟是计算机生成，其余是现场图景。 图片来自互联网 |
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| 强虚拟现实图例，场景中的城市，飞机等等都是计算机生成的三维影像，甚至这个场景的边界或者无边界都是幻觉。图片来自互联网 |
技术原理简介
企图简单介绍一下增强现实，以及强弱虚拟现实的基本技术原理。增强现实中的信息叠印术相对简单，就是将场景中的对象 （比如一幢大楼）和对象所含的信息（比如这幢大楼里的各个机构名称）通过地图上的坐标联系起来，将信息在影像中加以呈现。 虚拟现实技术则要复杂得多，牵涉复杂的三维图像模型生成以及投影方面的算法，并对计算机的运算能力有较高要求。我自己并非这方面的专家。有为了写这篇文章向老公请教这方面的技术细节，他说，“你算了吧，为了写网志才去研究这些学问，不懂装懂，一开口就贻笑大方……”，话虽这么说，他还是给了我一些相关学术论文的链接：
- A Sparsity-Inducing Optimization-Based Algorithm for Planar Patches Extraction from Noisy Point-Cloud Data
- Accurate and fast extraction of planar surface patches from 3D point cloud
- Photo-consistent Planar Patches from Unstructured Cloud of Points
相关设备和编程接口 （即软件开发平台）
虚拟现实在专业领域里不是太过新鲜的事物，但是面向消费者的产品和应用是最近一两年才开始成气候。去年六月的 Google IO （Google 的开发者年会）上，Google 有向每一位现场与会者派送一套 Cardboard。 那其实是一个简易的虚拟现实装置。把几块纸板和镜片装在一起以后，可以在你的 Android 手机上运行虚拟现实 app，嵌在那个纸盒子里，通过镜片观察，就会有身临其境的感觉。我有买过一套给老公玩，试过一些游览名胜的强虚拟现实 app，真的十分 immersive，足不出户体验身临著名建筑的空间感觉， 向大家强烈推荐 Google Cardboard. Google 向制造商和个人开发者开放 spec，这套装置既可以完全自己做，也可以像我那样买半成品。半成品价格不一，我那套二十多欧元的样子，别的厂家还有十几欧元的。
诸如 HoloLens 和 Oculus Rift 之类的产品，原理上跟 Google Cardboard 是差不多的，是基于计算机立体成像算法工作， 只是前者针对消费者有更为周到的细节处理。 微软的 HoloLens 跟真正的全息图像 holography 没有半点关系，那个名字只是微软用来扮酷的花招而已。
对开发者来说，Google Cardboard, 微软 HoloLens 和 Oculus Rift 都有提供 app 开发平台。在微软的 demo 视频里有说，虚拟现实功能有作为 Windows 10 的系统功能提供给开发者调用，也就是说，任何现有的 Windows 10 app，不需十分复杂的计算机图形接口调用，就可以呈现三维立体的虚拟现实视觉效果。听起来比较省事。但是我相信 Google 和 Oculus 也会竭尽全力为app 开发者提供方便的编程接口。五月底就要召开今年的 Google IO，请关心技术前沿动态的同学拭目以待。
应用前景和 Caveat
无论是增强现实，弱虚拟现实还是强虚拟现实技术的应用前景都十分广阔。有听说过德国一个大型超市集团对基于店内场景的增强现实应用很感兴趣， 这种 app 可以在购物者手机的现场影像上叠印商品信息，标示打折物品，或者该位消费者喜爱的物品的位置等等。虚拟现实应用在教育，社交，和娱乐领域都大有用武之地。比如，用虚拟现实程序来训练飞行员可以节省大量教育成本；天各一方的家人可以在虚拟现实应用中实现虚拟拥抱等等互动，以安慰彼此的思念之情；基于虚拟现实技术的电子游戏可以令玩家有更深更广阔的游戏体验；甚至传说中的虚拟性爱也可以借助日益精湛的虚拟现实技术达至一定境界，也许有助于有效减少某些地区比如印度的性犯罪。
就如任何别的技术，虚拟现实技术本身无所谓好或者坏，善或者恶，道德或者不道德；这世上有佛就有魔，多数人会把它用在好的方面，但是滥用它的人也会永远存在。我们能做的，也只能是尽力跟滥用作斗争，不使恶果肆虐横行。从自己做起。虚拟现实技术固然可以带人上天入地，但是请记得毕竟只是虚拟，记得时时回到现实中来。尽量不要冷落真实世界中的真实人事，在虚拟的沟通渠道中，也付出真心去跟人交往，维持跟人建立并保持长久关系的能力，我相信最根本最充实的快乐源于内心的真实不欺。有时，你借助种种最新科技得来的虚幻快感，未必比得上古人千年或者百年前写的几句小诗更打动你，更令你满足。
当前应用瓶颈
文首那个视频中展现的 demo 是在一个理想环境中制作的。 这里说的理想环境是指，demo 中使用的硬件设备具有很强的运算能力，而且数据连接网络十分通畅。这个理想环境在日常现实中是很难得的。 高保真三维立体影像技术需要非常强劲的运算能力。大家留意一下，许多测试硬件用的 benchmark 程序就是大型三维动作游戏。所谓的 gamer PC，比普通的 business PC 要贵出许多。不是所有人的计算机都有能力流畅运行高分辨率的虚拟现实程序。 这个“运算能力” 的问题， 跟 “网络连接速度” 问题比起来，简直不值一提。现有的所谓 DSL 宽带网络，传输普通视频都不是时时流畅。我每周都跟远在中国的父母视频通话，网络拥堵造成视频困难的经验实在太多。其实视频电话会议的技术早就成熟，但是直到今日，都很少有公司开会是用视频会议。 原因很简单，就是带宽问题导致视频不畅，浪费时间。所以一般办公，如果有远程会议，都是用电话的。这个带宽问题不解决，远程虚拟现实技术的应用将很难普及。要真正推广虚拟现实技术的应用，IT 基础设施上还有很多工作可以做， 数据压缩效率很高的算法也还可以开发，更为高效的网络通讯层技术协议比如 Google 最近推出的 Quick UDP 也还可以大力推广。
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