苏泽兰发明的《画板》是有史以来的第一个交互式绘图系统,是交互式电脑绘图的开端。使用者可以用光笔在电脑屏幕上作画,可以创作、保存和多次复制,也可以把它自由地放大或缩小。十多年后,电脑界和工程界才真正体会到苏泽兰和《画板》带来的划时代变革,它开创了一个计算机辅助设计(CAD)的崭新领域,使广大工程技术人员最终抛弃了图板、铅笔和丁字尺,在电子、机械、建筑等广阔的领域中产生了巨大的经济效益,并促成了现代化设计体系的建立。交互性是苏泽兰后来提出虚拟现实技术的第一个关键因素,他在人与机之间建立了某种互动关系。
1964年,美国高级研究计划署(ARPA)发现了苏泽兰的才能,让年仅26岁的苏泽兰出任ARPA信息处理技术处的负责人。第二年,他以另一篇论文《终极的显示》再次震惊世界,首次描述了用电脑显示器作为观看虚拟世界窗口的设想,被公认为虚拟现实技术史上的里程碑。
苏泽兰加紧为他的“终极显示”研制硬件设备。他认为,人们所看到的现实中的物体有真实感,主要是因为人转动头部或身体时,会感到这个物体也随之转动。他可以通过电脑模拟这种观察的过程,将人的头部方位实时记录下来,并迫使电脑图像追随着方位的变化,反馈并调整其显示。为此,必须把人的双眼视线与外界环境加以“屏蔽”,最简单的办法是给虚拟世界的观察者戴上头盔。
1966年,世界上第一个头盔显示器(HMD)试验模型在林肯实验室面世,苏泽兰为他取名为“临头的危险”。HMD以后经过多次改进,最后采用了两个双筒镜显示器,由电脑软件分别显示出两幅基本相似、但角度略有差异的图像,通过光学透镜的反射,在观察者眼前合成为一个立体的虚像,与我们佩戴光学眼镜观看立体电影类似。所不同的是,电脑能够及时根据头部转动的位置和方向跟踪调整图像,以极快的速度更新画面,精确模拟双眼观看景物时的活动效果。于是,1970年的元旦,一位参加试验的犹他大学的学生,在“临头的危险”头盔显示器里,第一次进入到苏泽兰虚拟的世界。
通过眼睛观看只能够从视觉上体验这个虚拟世界,并不能与这个虚拟世界互动。苏泽兰继续改进完善他的发明,他采用美国数字设备公司生产的小型电脑PDP-10创建了一个虚拟的房间,又设计出类似于手枪形状的控制棒。试验者戴上头盔,用手操作控制棒上的按钮,就能使虚拟房间中的物体一会儿出现,一会儿消失,并且能让它旋转和变形,甚至可以将虚拟的物体打碎,接着又把它拼接完整。
“灵境”真的展现在苏泽兰眼前,现实世界的围观者只能看见他面对空空如也的墙壁手舞足蹈,只有苏泽兰本人在兴致勃勃地玩弄着根本不存在的东西,完全沉浸到自己创造的幻觉里,它充分展示了虚拟现实技术的第二个关键因素——“投入”的效果。
“投入”也有“沉浸”的意思,是灵境技术的本质。大家知道,当电影演员进入演戏的高潮时,他可能会忘记真实的身份,完全沉浸在自己扮演的角色里,我们就说他“投入”角色。虚拟现实则可能使普通电脑用户也获得某种“投入”感,苏泽兰试验的成功为电脑工作者打开了一扇诱人的窗口,他们以极大的热情“投入”灵境研究,取得了一系列进展。
美国雅达利电脑游戏公司研究人员托马斯·茨门曼等人率先开发出了“数据手套”。数据手套装有传感器,用光纤与电脑相连。试验者戴上数据手套和头盔显示器后,不仅可以看到自己在灵境中的“虚拟的手”,而且能用真实的手去控制那只“虚拟的手”,操纵它去抓握或移动虚拟的物体。后来,有人又根据“数据手套”的原理研制出可以穿着的“数据衣”,这种衣服装备着许多触觉传感器,可以探测和跟踪人体的所有动作。
美国北卡罗来纳大学弗雷德里克·布鲁克斯首次研制出虚拟现实环境下的触觉装置。他和其他的研究者们根据力反馈的原理,把电脑显示的虚拟图像与可能感知的接触力度联系在一起,实时反馈给数据手套产生某种压力或振动,使试验者能“摸”到虚拟物体的形状、硬度,甚至于光滑或粗糙程度等,使人们不仅“看得见”而且也“摸得着”虚拟世界的东西。
许多电脑工程师与音响技术人员协作攻关,将三维立体声和声音识别技术也带入多媒体的“灵境”。只要戴上耳机,使两耳听到大小方位略有差异的声音,就很容易被电脑所“欺骗”。在虚拟声音系统环境中,试验者可以非常准确地感知声源的位置、距离和移动的效果。
灵境技术综合的时刻来临了:应美国宇航局的要求,1981年,美国加利福尼亚大学伯克利分校的博士研究生迈克尔·麦格里威试验成功第一个可以实际使用的头盔显示灵境系统;1985年,雅达利电脑游戏公司的斯科特·费舍尔加盟该研究小组。在他的帮助下,研究小组把数据手套、头盔显示器、语音合成和三维立体声以及触觉反馈装置等,统统集成为一个整体,虚拟现实技术正式登上了电脑历史大舞台。第二年,英国的工业集团公司正式推出世界上第一个虚拟现实枪战游戏,取名《VirtualityVR》。
军队首先敏感地发现了“灵境”的魅力。据说,美国空军曾以100万美元的造价研制出高分辨力的头盔显示器,以此构造出飞行驾驶模拟器。飞行员在“灵境”中能观察到任何复杂的虚拟环境,加快学习飞行技术的进度。虚拟现实的坦克演习、反潜艇演习和导弹发射演习以及单兵作战系统也被广泛地采用。参加过虚拟坦克战强化训练的美国士兵,在海湾战争中一举摧毁伊拉克的苏制T72型坦克2400多辆。
建筑业、工业制造业和精密机械加工业也把电脑辅助设计技术向前推进了一大步。过去由电脑设计并显示在屏幕上的图纸是平面或者仅仅是立体的外形,进入“灵境”后,设计师可以“身临其境”深入到自己设计的房屋或机器内部浏览。20世纪80年代中期,那位发明了电脑“触觉”的布鲁克斯所在的单位正准备新建自己的实验楼,研究人员当然对这座尚在图纸阶段的大楼格外关注,他们按照建筑商提供的图纸构造了“灵境”模型。在“深入”到楼房内部视察后,他们对门厅的设计很不满意,于是请来建筑设计师进行修改。建筑设计师摇头表示不以为然,布鲁克斯便把头盔显示器戴在他的头上,迫使这位先生根据“眼见为实”的观察结果修改了门厅的设计图。
目前,人们主要把这项技术用于高技术领域,例如空间技术中航天器与空间站仿真、微重力环境仿真、虚拟星际考察、飞行模拟、集团军模拟演习等。旅游业也在“灵境”中发现了新的“景点”。采用虚拟现实技术的旅游公司居然推出了诸如“宇宙空间一日游”等项目,带着游客登上“真实的”宇宙飞船,飞向月球和火星探险;而参加“侏罗纪公园一日游”的游客,则可享受到“抚摸”恐龙的奇趣。在美国,有人把这项技术试用于治疗癌症。医生们佩戴一个特制的头盔,借助电脑产生的图像,就可以在肿瘤世界里自由“走动”,察看肿瘤情况及接受放射治疗部位的变化,随即通过手控装置,为放射治疗的射线确定部位,以保证放射治疗的辐射只聚焦到肿瘤上,而不致伤害人体的健康组织。有关专家们讲,灵境技术将在下一世纪导致一场医学革命,医生将根据CT扫描的数据为患者建立“虚拟病人”模型,首先对“虚拟病人”进行体内病症的直观检查,然后在“虚拟病人”身上做实验性手术,以降低误诊和手术失败的可能性;它将促使科学研究手段的革新,为物理和化学研究需要构造虚拟的分子、原子模型;它还将推进教育教学方法的更新,使学生“沉浸”在虚拟学习环境里,请来司马迁为我们宣讲《史记》,让爱因斯坦为我们介绍“相对论”,或者不远万里来到英国爱丁堡罗斯林实验室,请维尔穆特博士讲授基因工程,再“亲手”克隆出一只“多利”……多媒体技术是一门跨学科的交叉学科,是通信、计算机、网络、信息处理、数据库等众多学科的成果集成。它向更高层次发展,也与上述技术领域息息相关。它的完善,也必须站在有关各项技术的最高起点上,采用综合优化的方法,使自己达到更加完美。有人预测,在未来十多年里,多媒体产品将是市场潜力最大的产品,同时也是市场前景最广阔的产品。
2.2互联网[1]2.2.1互联网的前身与今世互联网,英文为Internet,又译为因特网、网际网,它是计算机广域网、局域网及单机按照一定的通信协议组成的国际计算机网络。同当代许多重大科技发明一样,互联网的发明也源于军事目的。
冷战时期,出于与苏联争霸的需要,为了保证在核打击下军事通信畅通,1969年,美国国防部在高级研究计划署制定的协议下将美国西南部的大学加利福尼亚大学洛杉矶分校、斯坦福大学研究学院、加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校和犹他大学的4台主要的计算机连接起来,首先建立了由4台计算机构成的、分布式控制的分组交换网——阿帕网。
2网络时代以现在的水平论,这个最早的网络显得非常原始,传输速度也慢得让人难以接受。但是,阿帕网的4个节点及其链接,已经具备网络的基本形态和功能。所以阿帕网的诞生通常被认为是网络传播的“创世纪”。1971年4月,阿帕网已连接了美国加利福尼亚大学洛杉矶分校、斯坦福大学研究学院、加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校、犹他大学、BBN公司、麻省理工学院等15个节点,共23台主机。
阿帕网问世之际,大部分电脑还互不兼容。由于采用了不同的编码方式和计算机语言,除了相同厂家的计算机勉强能够相互交流外,在绝大多数情况下,在一台计算机上完成的数据资料,拿到另一台计算机上就成了乱码。而同样的“信息孤岛”问题则困扰着当时每一所大学和研究机构。于是,如何使硬件和软件都不同的电脑实现真正的互联,就成为人们力图解决的难题。在斯坦福大学最初的联网方案中,采用的是施乐公司的PUP通信协议。由于网络通信系统从本质上来说是一种为数据传输选择路径的软件系统,可以在任何一台计算机上运行,因此20世纪80年代初期的网络数据都是通过计算机来直接处理和转发数据包的,斯坦福大学通行的通信模式,都是“主机/终端”的方式,这种通信方式不但消耗主机资源,而且一旦主机故障,则其他终端都将失去通信能力。能不能专门设计一种设备来解决异种计算机之间的互联问题?一些计算机科学家不约而同地想到了这一点。
在早期的网络转发设备设计中,各种解决异种机互联的方案都被提出。研究者们有许多重要创新,最终这些创新演化为一件产品——多协议路由器,简称路由器。路由器是将包转发和处理软件烧制在一块微处理器上,直接安装到路由器的电路板上,软硬件结合大大提高了网络转发的效率,降低了成本。此后20年中,路由器的这种结构一直没有改变。
1973年春,美国的文顿·瑟夫和鲍勃·康开始思考如何将阿帕网和另外两个已有的网络相连接,尤其是连接卫星网络和基于夏威夷的分组无线业务的阿罗哈网。他们设想了新的计算机交流协议,最后被称为传送控制协议/互联网协议(TCP/IP),后来成为互联网的主流协议,因此他们也被人们称为“互联网之父”。
1975年,阿帕网被转交到美国国防部通信处。与此同时,大量新的网络开始出现,包括计算机科学研究网络、加拿大网络、因时网和美国国家科学基金网络等。
1982年中期,阿帕网被暂时停用,原先的交流协议被禁用,只允许使用TCP/IP协议的网站交流。1983年1月1日,美国国防部正式将TCP/IP作为阿帕网的网络协议,并命名为“Internet”,中文正式译名为因特网,后来又被称为国际互联网。随后的阿帕网被分成两部分:用于军事和国防部门的军事网和用于民间的阿帕网版本。作为Internet的早期骨干网,阿帕网试验并奠定了Internet存在和发展的基础,TCP/IP协议簇的开发和利用较好地解决了异种机网络互联的一系列理论和技术问题,局域网和广域网的产生及蓬勃发展对Internet的进一步发展起了重要的作用。
1986年,美国国家科学基金会(NSF)资助建成基于TCP/IP技术的主干网NSFNET,这是世界上第一个真正意义上的互联网,NSF在全美国建立了按地区划分的计算机广域网并将这些地区的网络和超级计算机中心互联起来。它连接了美国若干超级计算中心、主要大学和研究机构,并迅速扩展到世界各地,形成全球性的教育科研网络。NSFNET对Internet的最大贡献是使Internet向全社会开放,而不像以前的那样仅供计算机研究人员和政府机构使用。当NSFNET成为互联网中枢后,阿帕网的重要性被大大减弱了,终于在1989年被关闭,1990年正式退役。于是,NFSNET于1990年6月彻底取代了阿帕网而成为Internet的主干网。