沉浸體驗，逼近真實
此文章刊登在《科學世界》2017年第12 期
「沉浸」「沉浸式體驗」「沉浸空間」等辭彙，最近經常出現在人們的視野當中。那麼，到底什麼是沉浸？為什麼人們如此渴望沉浸體驗？沉浸體驗可以帶給我們什麼？
「沉」(古漢字為「沈」）在許慎的《說文解字》中意為「陵上滈水也」，「浸」為「水」；莊子的《逍遙遊》中有「大浸稽天而不溺」，可以說這都是我國古人對「沉浸」的理解。在西方，immersion這個詞開始出現於15世紀末期，它來自於拉丁文immergere，即浸入的意思。看來，「東西被全部浸入水中」這一對沉浸的解釋在東西方是通用的。在使用後期且都出現了相似的引申含義—某種極為投入的思維狀態，就像韓愈在《進學解》中說閱讀文章需要「沉浸醲郁，含英咀華」和英文中說的「immersiveeducation」(沉浸式教育）一樣。
人類對沉浸空間的追求既來自於視覺上的本能又來自於心理上的需求。根據考古研究，在舊石器時代晚期，人類開始從事諸如葬禮和儀式之類的宗教行為；穴居時代，人類需要可以滿足宗教活動的視覺圖像幫助進行想像。自此，從舊石器中晚期開始，在廣袤的歐亞大陸數不盡的洞穴中，人類將自己對大自然的記錄和內心的願望畫在了洞穴內部的牆上，並沉浸其間。
感知沉浸
就像人類在穴居時代所繪製的洞穴壁畫一樣，利用繪畫同樣是古羅馬人追求沉浸體驗的手段。圖一為龐貝古城遺址中「神秘別墅」內部一個房間的壁畫。建造者繪製了如真人大小的人物和神像，在這個空間中，畫面透視的比例和實際空間透視是一致的，即作為視覺的參照物的形象和我們真實空間內物體的大小是一樣的。在這個房間中的任何一個角度，都可以看到三面牆的繪畫，造成一種置身其中的錯覺。
圖一 龐貝城的「神秘別墅」壁畫，公元前60年。
隨著壁畫的不斷發展，到了18世紀，產生了「全景畫」藝術（panorama）。世界上最早的全景畫大廳開放於1793年5月14日，位於英國倫敦的萊斯特廣場。這個展覽一直持續到1864年，總共展出了126個不同的全景圖（圖二）。
圖二 萊斯特廣場全景畫示意圖。圖片來自Robert Mitchell。
全景圖的概念是：在一個封閉環境中，製造一個儘可能超過視域極限的虛擬圖像。最好的展示方式是在一個類似於圓筒狀的建築物中，繪製一個首尾相連的巨型圖像。這種形式如此吸引人，以至於在18～19世紀，藝術家奔走於各個城市去製作帶有異域風情的全景畫。這種形式的沉浸空間直到今天依然擁有市場。
全景畫的熱潮甚至影響到了偉大的藝術家莫奈。1915～1917年，印象派大師莫奈在其工作室里，創作了眾多單幅12米×2米的巨型畫作。畫作上畫滿了睡蓮，將他的半面工作室包裹了起來。這些畫作被他稱為「單體的連續畫布圖像」（圖三）。
圖三 莫奈和他的巨幅睡蓮油畫。
到了1798年，隨著投影技術的出現，羅伯森（Etienne-GaspardRobertson）這個天才嘗試使用投影設備、舞台表演和現場音效製作了一個「鬼屋」，被稱為「千變萬化的鬼屋」(phantasmagoria）（圖四）。
這種利用光線反射而形成的幻覺現象被佩珀（John Pepper）在19世紀發揚光大，形成了所謂的「佩珀幻像」（Pepper′s ghost）技術 (國內稱為幻影成像)，並被各大主題公園、博物館及展會應用至今（圖五）。
圖四 這個所謂的鬼屋，是Robert使用了「魔術燈籠」（幻燈機的前身）這種設備所造出的投影，再結合上各種音效和煙霧所造出的幻象。
圖五 邁克傑克遜的幻像出現在2014 Billboard音樂獎的頒獎典禮上。
1832年，惠斯通（Charles Wheatstone）發現了人腦中形成立體3D圖像的規律，這使得人們可以從簡單的2D圖像中通過特殊鏡片得到立體視覺。起先他嘗試用簡單的圖畫來進行設計。不久後，這種設計被應用到相機拍攝的照片上，觀眾同時通過雙透鏡以及左右視圖轉換來觀看兩張極為相似但角度稍有區別的照片，從而產生3D圖像。在世紀之交，這種被稱為「立體感幻燈機」(stereopticon）的立體鏡非常流行（圖六）。
圖六 「stereopticon」式立體鏡示意圖。
隨著電影時代的來臨，人類對活動影像和立體視覺的渴求越來越強烈。19世紀末，一些人想用電影技術手段和全景畫結合的方法，重新激發人們對全景畫的熱情。1894年，蔡斯（Charles Chase）使用16台立體感幻燈機，在芝加哥為公眾演出了第一場可變化的全景畫「3D投影秀」，觀眾可通過立體眼鏡來欣賞360°的環繞影像，這是一次革命性的演出，這個演出已經具備了現代數字沉浸空間的所有特徵。直到今天，所謂數字技術革命後所產生的沉浸式產品，包括IMAX、球幕甚至是CAVE系統，都沒有超出這個範圍。並且隨著數字時代的來臨，在沉浸體驗領域，出現了一個術語—虛擬現實。
虛擬現實（virtual reality）不是新興的辭彙。在當代，這兩個近乎矛盾的詞似乎變成了一個行業標準，許多數字行業都在努力使用VR這個名詞來作為他們商業概念的一部分。而與之關係密切的另一個術語「頭戴式顯示系統」(head mounted displaysystem)，指的是用一種類似頭盔的佩戴方式，把一個小型顯示器放在眼前，它作為虛擬現實的一種實現方式，在今天幾乎成為了虛擬現實的代名詞。
所謂「虛擬現實」，可以追溯到更早之前。1951年，美國科幻小說家布萊伯利 (Ray Bradbury)在短篇科幻小說《大草原》(The Veldt）中，描述未來的孩子都會生活在一種被圖像包圍的虛擬環境中。1968年，蘇澤蘭 (Ivan Sutherland) 和他的學生首次開發了一個原始的虛擬現實系統「達摩克利斯之劍」。這是一種原始的頭戴式顯示設備，但已具備了虛擬現實設備的所有特徵。使用者可以在靠近眼睛的小屏幕中，看到一個隨著使用者自身移動而顯示不同角度的正方體（圖七）。其後，所有的頭戴式顯示設備都在朝小型化、便攜化發展。1987年，可視化編程實驗室（VPL）的創始人拉尼爾（Jaron Lanier）第一次使用了「虛擬現實」這個辭彙來形容由計算機生成的虛擬空間，同時他也使用了「替代現實」和「替代環境」等辭彙。
圖七 這款初級的系統除了體積較大之外，已經具備了現今所有頭戴式顯示器的功能。
由於頭戴式顯示裝置具有較好的封閉性和抗外界干擾能力，非常適於展現虛擬現實場景，但並不意味著只能使用頭戴式顯示設備展現或只有頭戴式顯示設備才能代表虛擬現實。顯示器、投影機、頭戴式顯示設備（包括封閉式和非封閉式）、移動設備顯示器都可以作為實現虛擬現實技術的載體。
另外一個重要的事實是，虛擬現實有著定義標準。如果一個產品被稱為虛擬現實作品，就必須擁有計算機生成的虛擬世界、沉浸式、感知反饋、互動性這4個特徵。前兩個特徵很好理解，感知反饋意味著系統必須能夠識別人們所做出的行為並作出相應變化，而互動性意味著這些變化必須是實時的且是可持續性的。現今許多產品打著虛擬現實的名義，例如虛擬現實電影等，在筆者看來，至多是360°影像而已，既談不上擁有像電影一樣完整的敘事結構，也不具備交互性這一虛擬現實最重要的元素。
在聽覺、觸覺甚至嗅覺領域，人們對塑造感知沉浸體驗的嘗試從未停止。上世紀60年代，貝爾實驗室對立體音效做過大量系統研究，同時首次使用名為「奧斯卡」的模擬人頭錄音設備來模擬人耳的真實聽覺效果；觸覺方面則包括近來不斷出現的虛擬現實遊戲中的觸覺體驗設備和觸覺頭盔等。無論是視覺還是其他感知沉浸，都是人類使用某種可替代現實物理世界的手段，將人的感知置於虛擬世界中的嘗試。
心理沉浸狀態
當我們非常專心地閱讀、遊戲甚至戀愛時，會覺得時間過得很快。當我們從事非常無聊或者難度極大的工作時，又會覺得度日如年。這是為什麼？
1975年，匈牙利心理學家齊克森米哈里（Mihaly Csikszentmihalyi）提出了對這個心理學現象的解釋—心流理論。他認為，人在進入到非常忘我的狀態時，會出現至少如下7種特徵中的一種：清晰的目標、應對挑戰的技巧、行為和意識的融合、對現有工作的關注、對結果的漠不關心、自我意識放棄、時間的飛速流逝。而這種忘我狀態，被齊克森米哈里稱為「心流」(flow）。其中，他把挑戰和應對能力著重強調出來，認為挑戰的任務難易和解決挑戰的能力必須相符。如果挑戰太難而解決問題的能力過低，人會感到焦慮；挑戰太低而解決能力過高，人則會感到無聊。只有利用能力解決相適應的挑戰時，人們才會精力集中並且具有快感，即到達「心流」沉浸狀態（圖八）。
圖八 心流狀態說明圖。
舉例來說，一個具有考古知識背景的學者看到一篇新的考古發現文章時會感到興奮。在眾多的專業術語面前，他會覺得如魚得水，沉浸其間，甚至會對文章做出自己的判斷。而同一篇專業文章放在孩子面前，他們由於不具備相應能力，甚至由於不理解專業辭彙而需要頻繁查字典，這樣的結果只會導致孩子產生焦慮。
沉浸式體驗有市場需求
在現代教育中，經常會出現「沉浸式教育」這類術語。歸根結底，是使用包括感知沉浸和心理沉浸的理論將受教者置於某種虛擬或模擬的環境中，利用解決難度適宜的挑戰這種方式，進行啟發式教育。
這種方式不僅被應用於對孩子的教育上，在現代博物館、主題公園及其他商業產品宣傳上都會用到。用近年來火熱的文化遺產領域舉例：1994年，英國首先使用了「虛擬遊覽」這個概念，遊客在由計算機生成的達德利城堡中進行巡遊，並根據遊客的選擇，屏幕會出現相應的提示和解釋。
另一個近期的例子是由新加坡南洋理工大學藝術設計媒體學院和廣州美術學院合作的《絲綢之路的過去、現在和未來》大型球幕互動動畫裝置。在這個直徑為55米的球幕中，觀眾將從感知、敘事及互動三方面了解到絲綢之路的起始和未來。在一個虛擬的沉浸空間中，遊客與古代絲綢之路的駝隊為伍，與海上歷盡艱險的商船為伴。同時，根據遊客的選擇，可以了解到此時此地在各大洋中穿梭的商船的視覺化數據資料、整體一帶一路政策的實施情況以及實時的新聞報道等信息。這個巨型球幕裝置最大限度地結合了當代最新沉浸體驗理論並將其轉化為現實產品。
沉浸體驗是一種基於感知和心理的雙重體驗。這種體驗被應用於當代科學、藝術及心理學研究領域。這使得研究沉浸體驗過程、發展沉浸體驗理論、開發新的沉浸體驗設備成為必然選擇。同時，隨著沉浸式體驗被人們所接受，巨大的市場需求也影響著沉浸體驗領域的研發進程，這不僅可以更好地解決現有的教育問題，還將引發更大的市場變革。
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