AR 和 VR 的前世今生

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原文引自 Medium 上的一篇文章《Evolution of AR and VR: UX inspiration from history》。该译文并非完整原文,内容已做删减和调整,并加入了部分译者观点。


如今 AR 和 VR 正在快速发展,但在它们诞生之前,就有许多前置的发明和技术为此铺垫,这些发明潜移默化启发着技术的发展。当然 AR、VR 能有如今的成果,很大程度是因为人类想要看到更多,表达更多,这才是推动技术发展的原因。


本期提纲:

1.皮影戏:现存最早的 AR 原型之一

2.视错觉

3.眼镜

4.结语

1
皮影戏:现存最早的 AR 原型之一

皮影戏的真正起源如今很难考证。虽然居于洞穴的原始人可能会有玩影子游戏的行为,但并没有具体的证据支撑。有大量资料显示皮影戏起源于亚洲某个地区,篝火前的影子游戏逐渐发展成为一种娱乐方式。因此,皮影戏的诞生追溯到公元前二世纪或更早一些的历史时期也就不足为奇了。


有证据表明,皮影戏和当地的宗教起源也有关联,在部分地区会涉及到神灵和仪式。


皮影戏的历史是一个较阴暗的话题,有效资料少之又少,文物也难以被找到,这跟皮影材料脆弱有很大关系。这也使得如今对于皮影戏的历史认知,很多都来源于侧面的记载和印证。


下图是印度尼西亚的一种本土表演艺术,称为 Wayang,属于皮影戏留存下来较好的文物。图片中的皮影人偶出自 1700 年末 – 1800 年初之间。

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▲ 印度尼西亚皮影戏,存于大英博物馆

这种使用灯光和人物角色来呈现故事的艺术形式,几乎是任何投影型艺术的雏形,AR 也仅仅只是将图像投射到现实世界。从这个角度看,皮影戏应该是现存最早的 AR 原型之一。

2
视错觉

和皮影戏类似,视错觉通常被用来欺骗大脑。


有迹象表明,古人在很早的时候就开始运用视错觉。有一个案例是古希腊画家 Zeuxis 和 Parrhasius 的故事,他们试图使用视错觉欺骗彼此。传说 Zeuxis 绘制了以假乱真的葡萄,来诱骗 Parrhasius 的小鸟,而 Parrhasius 则绘制一个极为逼真的窗帘来欺骗 Zeuxis ,虽然这个故事的看起来并不真实,但仍然能隐约看到类似视错觉的尝试。

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▲ Zeuxis 和 Parrhasius 的版画,出自 Den gulden winckel der konstlievende Nederlanders (1613)


虽然很难找到更多视错觉的应用证据,但是在光学研究中,视错觉相关的探讨并不少数。比如托勒密(公元 100-170 年)就在他的著作中描述了不少视错觉的存在:视觉错觉、感知误判和心理推断。有趣的是,在他的公元 2 世纪的著作当中提到了动画的概念,而类似的产物直到 17 世纪才出现。


在谈到感知误判时,托勒密讲到了艺术家如何将二维的物体绘制得有三维的特征,这正是视错觉的基础。在他的作品中,说道:

“连续扫视给人的印象就是你眼前不动的物体在移动。这种扫视有时候会发生在视觉流动的一开始,例如眩晕的状态下,你眼睛能感觉到这种视觉错乱。因为光线接触到物体的时候,会继续跟随物体的轮廓运动,但实际上这种焦点改变的现象是内部发生的,我们的感官无法察觉。”
从 17 世纪开始,有越来越多的艺术作品使用了视错觉的设计。圣伊格纳齐教堂当时准备建造一个巨大的拱顶,但是邻近的多米尼加修道士抱怨这样的结构会切断隔壁图书馆的采光,因此 Andrea Pozzo 使用视错觉的插画让拱顶看起来足够宏伟明亮。从某种意义上来说,这也是「扩增现实/AR」的原型。
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▲ 安德里亚·波佐 (Andrea Pozzo) 在圣伊格纳齐奥教堂的天花壁画 (1685–1694)

在 18-19 世纪,艺术家们继续在他们的绘画当中运用各种视错觉,就像下面的这幅来自荷兰的讽刺画(约 1710-1726 年):视错觉的插图表现出了四种人脸特征,你可以根据自己看到的方向来阅读和链接文字信息,这不乏是一种节省空间的好办法。
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▲ 图片来源:大英博物馆。

人类为了进一步研究视觉的作用原理,催生了很多有趣的发现,比如立体成像。在 1838 年的时候,Charles Wheatstone 绘制了有史以来第一台立体成像工具,这一研究和光学研究一起为如今的 3D 成像奠定了基础。
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▲ 第一个立体镜,由查尔斯惠斯通设计并发表在皇家学会哲学汇刊卷(1838 年)

该发明后来被用作创建 3D 立体眼镜,还诞生了专门拍摄 3D 图像的摄影工具。
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▲ 左边:19 世纪晚期的立体镜广告。  右图:立体镜图解(1882年)


早期版本的立体眼镜似乎没有使用任何镜片系统,图片必须放置在特定的距离,从而导致本身的结构较为复杂。而随着镜片系统的完善,更加耐用小巧的立体眼镜也随之诞生。


我想你大概能够明白立体眼镜的运作原理,而背后的技术让这些早期的设备和如今的 VR 头戴连接起来。

3
眼镜

Nimrud 镜片是现存最早的镜头之一,发现于伊拉克,大概诞生于公元前 750 – 710 之间,由于镜头本身没有放大的功能,所以它具体的用途现在并不完全被厘清。

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▲ 大英博物馆的尼姆鲁德镜头


在古罗马时代,Lucius Annaeus Seneca 就使用装满水的玻璃容器来辅助阅读,虽然当时这种玻璃容器本身并不算流行,但也算是随着书写和印刷技术发展到一定程度才逐步诞生的需求。


所以在玻璃和放大镜诞生之后,越来越多的镜片和相应的光学应用也开始普及,眼镜、望远镜、相机、立体镜、投影仪等等。

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▲ Johann Amos Comenius(1658年)

有了这些的镜片,伽利略才有机会发明望远镜,他曾经用望远镜来记录太阳黑子,他在纸上画了一个圆圈,然后将它放在望远镜附近,让它和太阳对齐,太阳黑点就会在纸的对应位置上留下斑点,最后把黑点勾勒出来。
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▲ 伽利略·伽利莱 (Galileo Galilei) 的太阳黑子

虽然这看起来是一个非常简单的解决方案,伽利略也在实验指出,执行起来并不复杂,不过在 Marc Welser 的信当中,伽利略还补充道:
“……不过在执行的时候需要心灵手巧,你需要随着太阳活动及时移动望远镜,确保它能对准太阳的位置,并投射到纸张上……”
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▲ 图片来源:Wikipedia Commons


同样在 19 世纪,有项名为 Camera lucida 的发明,这项发明可以借助棱镜将艺术家眼前的事物投射到纸面上,从而方便他们将轮廓勾勒出来。


这个设备方便携带,可以帮助艺术家勾勒出物体的轮廓,不过由于在绘画过程中,手会遮挡住纸面的内容,所以艺术家需要经过一段时间的训练才能驾驭这个工具。艺术家需要快速绘制出粗略的轮廓,然后借助这个工具来做细化。


无论是伽利略的太阳黑子还是 Camera lucida ,都和现代的 AR 的运作原理类似,比如同样借助 AR 应用测量现实世界中的物体的尺寸。说明这类需求一直存在着。


虽然玻璃镜片花了很长的时间来完善和普及,但是我们注意到护目镜存在的历史要比镜片长。比如下图这款用来对抗雪盲症的眼镜,可追溯到 2000 年前(有人认为它的历史还要更加悠久),它一般是用骨头、皮革或者是木头来制成。虽然这类产品和玻璃镜片发明并没有交集,但它们也非常有趣。

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▲ 现存于加拿大博物馆

随着镜片技术的发展,各种使用场景开始出现,下图的印刷品展示了功能各异的镜片。
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▲ Trade card: The Maker. [James Ayscough, Ludgate St, London] optician

最终,眼镜成为了常见的日用品,以至于我们并不认为它是一项伟大的发明。在 AR 驱动和 VR头戴设备出现的时候,眼镜作为其中的必要构件,发挥了及其重要的作用。
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▲ 左侧:伊万·萨瑟兰 (Ivan Sutherland) 早期头戴式显示器      右边:谷歌眼镜
4
结语
越深入地审视,我们所发现的就会越多。我们现在所应用到 AR、VR 的技术非常复杂,可追溯到过去几个世纪的积累,但是单独审视单个技术发明的时候,我们会重新看到前面几十代先辈的经验积累和探索。比如,印刷术的发明对镜片发明的推动影响远远超出眼镜本身,即使你仅仅只是对于古代的视觉感知有兴趣,你也会在其中所涉及到的研究和艺术作品与现代技术中来回穿梭,并发现其中的奥秘。而发现这些奥秘的一开始,仅仅只是想在略显乏味的生活中寻找娱乐。时至今日,VR、AR 或是其他高科技技术的诞生都是因为我们在乏味的生活中发现乐趣所需的产物。
文章参考:

1.Chen, Fan Pen. “Shadow Theaters of the World.” Asian Folklore Studies, vol. 62, no. 1, 2003, pp. 25–64. JSTOR, http://www.jstor.org/stable/1179080.

2.The History of Chinese Shadow Art by Google Arts and Culture

The British Museum website

3.Secret Knowledge (New and Expanded Edition): Rediscovering the Lost Techniques of the Old Masters by David Hockney

4.Ptolemy and the Foundations of Ancient Mathematical Optics: A Source Based Guided StudyBook by A. Mark Smith

5.Sines, G., & Sakellarakis, Y. A. (1987). Lenses in Antiquity. American Journal of Archaeology, 91(2), 191–196. https://doi.org/10.2307/505216

6.Galileo and Scheiner on Sunspots: A Case Study in the Visual Language of Astronomy by Albert van Helden

7. Google Arts & Culture

—  The end  —
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原文链接

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AR 和 VR 的前世今生
译者:Paris
天地有大美
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本篇文章来源于微信公众号: We-Design

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