虚拟现实所需的设备

闭上眼睛想象虚拟现实，你的脑海中大概会出现类似于上面图片中的画面：一个计算机极客正戴着环绕式头戴耳机（头戴式显示器）和数据手套，它们连接到功能强大的工作站或超级计算机上。虚拟现实与普通的计算机体验（如使用个人电脑撰写论文或玩游戏）的区别在于其输入和输出的性质。普通计算机使用诸如键盘、鼠标或更特别的语音识别进行输入，而虚拟现实使用传感器来探测人体的动作。个人电脑在一块屏幕或打印机上显示输出，虚拟现实则通过两个屏幕输出（每只眼睛看一个），通过立体声或环绕立体声扬声器以及一些形式的触觉（触摸和身体感知）进行反馈。让我们快速浏览一些比较常见的虚拟现实输入和输出设备。

头戴式显示器

图片展示了头戴式显示器的内部视角。典型的头戴式显示器有两个小屏幕，可以向你的两只眼睛分别展示不同的图片，因此你的大脑会生成组合3D图像。图片由美国空军提供。

虚拟现实屏幕和普通计算机屏幕有两个很大的区别：在虚拟现实中，你看到的3D图像随着你的头部移动而实时地、平滑地变化。这是通过头戴式显示器得以实现的：头戴式显示器看起来像个巨大的摩托车头盔或焊接护目镜，但它仅由两个小屏幕（每只眼睛前面一个）、一个可遮挡所有其他光线的遮光眼罩（用来消除现实世界的干扰）和立体声耳机构成。这两个屏幕显示略有不同的立体图像，从而创造出逼真的虚拟世界的3D透视。头戴式显示器通常还内置加速计或位置传感器，因此它们可以准确探测你头部和身体的移动、倾斜或指向的位置和方向并相应地调整图像。头戴式显示器的问题在于它们很重，因此长时间佩戴很累；一些非常沉重的头戴式显示器甚至装在配有平衡重的支架上。但其实头戴式显示器无须如此精细复杂，恰恰相反，谷歌已经开发了一款价格合理、成本很低的硬纸板眼镜，它带有内置透镜，可以将普通的智能手机变为简易的头戴式显示器。

沉浸式房间

除了戴上头戴式显示器，另一种体验虚拟现实的方法是坐在或站在一间房间里，变化的图像不断从外部投影进来。当你在房间里移动时，这些图像也会相应改变。飞行模拟器就使用了这种技术，它通常将风景、城市和机场进近的图像投影到驾驶舱模型外部的大屏幕上。20世纪90年代，托马斯·德·范蒂在伊利诺伊大学发起了一项叫作“CAVE”（洞穴自动虚拟环境）的著名的虚拟现实实验，其实验原理也是如此。人们在一个立方体形状、带有半透明墙壁的大房间内四处走动，立体图像从外部反向投影进来。虽然参加实验的人不需要佩戴头戴式显示器，但他们必须戴上3D眼镜来获得完整的立体体验。

数据手套

当看到令人惊奇的事物时，人的本能就是伸出手去触摸它，即使婴儿也是如此。因此，让人们能触摸虚拟事物一直是虚拟现实技术的重要课题。通常这是通过数据手套完成的，数据手套即普通的手套配上连接到外部的传感器，用以探测手部和身体的动作。实现该技术的一种方法是使用光纤电缆来“延长”每个手指的长度。每条电缆上都有细小的切口，因此，当你来回弯曲手指时就会产生或多或少的光逃离。电缆末端的光电管测量到达的光量，计算机以此来确定你的手指的准确动作。其他数据手套使用应变仪、压电传感器或机电设备（例如电位计）来测量手指的动作。

图片：左/上：美国国家航空航天局在20世纪90年代开发的EXOS数据手套具有非常复杂的外部传感器，可以十分精准地探测手指活动。图片由美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心 （NASA-MSFC）提供。右/下：这款更加精密的EXOS手套在每个指段上都有独立的传感器，并通过一根带状电缆连接到虚拟现实主机上。图片由美国国家航空航天局艾姆斯研究中心的韦德·西斯勒提供。

魔杖

魔杖比数据手套更简单，它是一根手杖，人们可以用它来接触或指向虚拟世界中的某个地方，或者用它来和虚拟现实世界互动。它内置有位置传感器或动作感应器（例如加速计）以及和鼠标相似的按钮或滚轮。最初，魔杖要用线连接到虚拟现实主机上，很不方便；但它们后来逐渐发展成了无线连接。

图片：典型的手持式虚拟现实控制器配有松紧带，看上去与视频游戏控制器差别不大。图片由美国国家航空航天局艾姆斯研究中心提供。