虛擬與增強現(xiàn)實技術(shù)

雷卓石

摘 要：虛擬與混合現(xiàn)實技術(shù)在當今是應(yīng)用在各種領(lǐng)域中的技術(shù)并且將會被應(yīng)用在更多的領(lǐng)域。這篇文章將帶領(lǐng)我們探索它的起源以及進化過程。我們將從一些重要技術(shù)的發(fā)展開始， 例如視線追蹤以及手勢識別以及它們在現(xiàn)實中的應(yīng)用，并將逐一介紹它們的發(fā)展以及現(xiàn)狀。我們同時也將介紹一個類似的技術(shù)——增強現(xiàn)實。我們同時也將介紹現(xiàn)在市場上流行的商品。最后，我們還將討論虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展目前遇到的瓶頸、可能的發(fā)展方向和未來的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬 增強 技術(shù)

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（c）-0150-02

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）和增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）最近幾年變得越來越熱門。早些時候其中一個增強現(xiàn)實的熱門應(yīng)用——AR地圖，使用戶能夠?qū)崟r看到疊加在地圖上的有效信息。虛擬現(xiàn)實在過去幾十年里則是在娛樂與游戲行業(yè)得到了極大的發(fā)展（例如索尼的PlayStation）。增強現(xiàn)實技術(shù)也應(yīng)用到了游戲行業(yè)，例如，在2016最熱門的游戲之一Pokemon GO。在最近的科技產(chǎn)品谷歌眼鏡中，我們也能見到AR的身影。這篇文章將同時對增強現(xiàn)實技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及混合現(xiàn)實技術(shù)的歷史與發(fā)展進行介紹與對關(guān)鍵技術(shù)的說明。

1 運用在AR、VR和MR上的核心技術(shù)

一些涉及AR、VR和MR應(yīng)用的重要技術(shù)在過去40～50年間高速發(fā)展。這些技術(shù)主要來自計算機視覺的核心領(lǐng)域。 視線跟蹤是其中一種的技術(shù)。它可以幫助電腦跟蹤用戶關(guān)注的位置。另一個重要的技術(shù)是手勢識別，這有助于用戶創(chuàng)造更多的操作組合并使用戶與電腦交互更容易、更直觀。

2 視線追蹤

視線跟蹤是一種使用攝像頭跟蹤用戶目光的技術(shù)，反映了他們的注意力和需求。這個技術(shù)的基礎(chǔ)是找到瞳孔凝視的位置。在介紹一些技術(shù)細節(jié)之前，我們將研究一下兩個關(guān)鍵術(shù)語。第一個叫作注視線（LoG），它是光線通過瞳孔中心的那條水平線。另一個被命名為視線（LoS），這是從視網(wǎng)膜中心凹陷處到瞳孔中心的線。在視線跟蹤期間，我們需要注重視線而不是注視線因為是視線決定了一個人的視覺注意力，因為視網(wǎng)膜中心凹陷處集中了大量感光細胞，負責感知事物的細節(jié)?，F(xiàn)有系統(tǒng)有一個問題它們需要復(fù)雜和繁重的校準。

對于因眼睛的測量變化而言并不完美，因為不同人的眼球結(jié)構(gòu)差異以及視網(wǎng)膜中心凹陷處定位很困難。此外，有些公司使用侵入式設(shè)備來實現(xiàn)眼睛注視軌跡的目標的高精度，且需要限制頭部運動，使用戶感到不舒服。為了解決這個問題，一個名叫FreeGaze的新技術(shù)是由工程師用來實現(xiàn)遠程視線跟蹤。解決了現(xiàn)有技術(shù)的問題，F(xiàn)reeGaze每次校對只需要兩個點，而且一旦對單一用戶校對完成，之后不再需要校準，對日常使用非常方便。

自由注視總共有5個步驟：（1）首先我們用紅外攝像頭來捕捉眼球圖像。（2）然后生成一個小方形為了降噪并且方便處理。這個圖像會被分成若干個小圖像，然后對每個像素點進行計算生成不同區(qū)域。（3）第三布是偵測瞳孔位置。相鄰的像素點將被一一對比，使瞳孔區(qū)域與眼球其他區(qū)域能被區(qū)分開，減少如眼鏡架等外物的干擾。（4）重復(fù)執(zhí)行步驟二與步驟三直到瞳孔被完整偵測出來，或系統(tǒng)判定該區(qū)域沒有瞳孔。接著對瞳孔邊緣進行精細化處理，消除由睫毛、眼瞼等引起的可能的噪音。（5）最后一步叫Purkinje圖像檢測，用于檢索瞳孔中心。檢測到瞳孔中心之后，視線追蹤就算完成了。

3 混合現(xiàn)實

3.1 增強現(xiàn)實

增強現(xiàn)實是一種允許用戶在現(xiàn)實中與虛擬世界互動的技術(shù)。通過傳感器將氣味、聲音等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過計算機處理并通過可穿戴設(shè)備如Google Glass疊加到現(xiàn)實世界中，使用戶獲得更多信息。例如，Google Earth可以讓您瀏覽地球每個角落并提供有用的信息，如城市地標和城市的歷史。增強現(xiàn)實不僅可以執(zhí)行現(xiàn)實世界的信息，還可以在用戶面前添加虛擬信息。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的區(qū)別是，虛擬現(xiàn)實企圖將虛擬世界轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實；相反，增強現(xiàn)實則是企圖把現(xiàn)實變成虛擬世界。增強現(xiàn)實需要一些基本成分來實現(xiàn)，如輸入設(shè)備（通常是攝像頭和麥克風）、處理器和顯示屏。其中一個著名的增強現(xiàn)實應(yīng)用是HUD，被稱為平視顯示器。它的名字來自在現(xiàn)代飛機上使用的平視顯示器飛行員側(cè)重于前視，防止他們因為頻繁觀察儀器臺造成的頻繁頭部運動引起的頭暈。通過在穿戴式設(shè)備中應(yīng)用HUD技術(shù)，它可以為用戶投影所有用戶需要的信息，使用戶的生活更加便利。例如，在汽車上應(yīng)用HUD，可以顯示行駛方向，即將到來的景點和前方的路況。增強現(xiàn)實可以在很多方面應(yīng)用。

3.2 虛擬增強

與增強現(xiàn)實不同，增強虛擬可以提供進一步沉浸式用戶體驗。用戶體驗虛擬世界時，一些現(xiàn)實世界的信息將會輸入，使你感覺你正處于“現(xiàn)實世界”，4維電影可以提供一個虛擬的世界，但是人物和氣味的模擬以及觸感總是為觀眾創(chuàng)造沉浸式體驗。

4 虛擬與增強現(xiàn)實

現(xiàn)在在市場上有很多虛擬和混合現(xiàn)實產(chǎn)品。接下來將會介紹它們中的一部分。

（1）Hololens。作為微軟第一臺無線全息計算機設(shè)備，Hololens提供給用戶全新的體驗。它將3D內(nèi)容投射到現(xiàn)實世界中并允許用戶使用視線、手勢甚至語音與這些3D內(nèi)容交互。對于每個用戶，Hololens可以提供一個允許讓您設(shè)計一個與現(xiàn)實世界完全不同的數(shù)字世界并與您的數(shù)字世界互動。您還可以通過使用Skype與您的朋友分享合作將您的成果可視化。

（2）PlayStation VR。PlayStation VR是一款虛擬現(xiàn)實頭戴設(shè)備，專為PlayStation4家庭視頻游戲級而設(shè)計。它可以由DualShock 4控制器或PlayStation Move控制器控制。不像其他頭戴設(shè)備，PlayStation VR只需要一個PS4控制臺為平臺和一個攝像頭用于定位，所以PlayStation VR的價格是實惠的。另外，大多數(shù)VR設(shè)備使用兩個攝像頭跟蹤，而PlayStation只使用一個攝像頭就可以提供非常高的準確性。然而，使用一個攝像頭會導(dǎo)致一個問題，如果你移動的過遠就會收到提醒。

5 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)從Sensorama的問世再到HTC Vive或PSVR的出現(xiàn)進化了許多。諸如屏幕分辨率提高、凝視跟蹤技術(shù)、手勢識別等創(chuàng)新技術(shù)已經(jīng)導(dǎo)致人機交互更加無縫。這使得產(chǎn)品更直觀易用。但是，還有一些問題仍然需要進行評估和解決。電線和電源的問題仍然需要大量的工作。也許在未來，我們可以看到VR和混合現(xiàn)實設(shè)備的兩個不同的終極版本。一個是完全無線穿戴式設(shè)備，具有足夠的電源長時間工作。它的尺寸可以很小，足以附加到我們的瞳孔上。另一種是完全身臨其境的VR設(shè)備，可以消除物理限制，為用戶提供完整的數(shù)字世界。那就是我希望VR技術(shù)向前邁進的方向。

參考文獻

[1] 郭天太，王引童.虛擬現(xiàn)實技術(shù)與增強現(xiàn)實技術(shù)[J].機械制造，2003，41（6）：7-9.

[2] THOMASB CLARKSONIII，沈錦民.與設(shè)備無關(guān)的圖形顯示技術(shù)——利用虛擬設(shè)備接口為IBM增強型圖形適配器編制軟件[J].計算機工程，1987（3）：69-73.

[3] 申玉斌，蔡勇，李慶超，等.基于增強現(xiàn)實技術(shù)中虛擬物體投影的應(yīng)用研究[J].網(wǎng)絡(luò)新媒體技術(shù)，2008，29（5）：73-77.

[4] 暴宇虹.增強虛擬現(xiàn)實技術(shù)在播音主持專業(yè)實踐教學中的應(yīng)用研究[J].電子測量技術(shù)，2017，40（7）：109-112.

[5] 韓旭，曲丹.增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實頭戴顯示專利分析[J].河北工業(yè)科技，2017，34（5）：345-353.

[6] 李棟寧，武禹男.增強現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)流水線展示設(shè)計中的映射與虛擬仿真[J].裝飾，2016（8）：128-129.

[7] 李利軍，管濤，王乘，等.基于增強現(xiàn)實的虛擬城市規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計算機工程與設(shè)計，2006，27（19）：3604-3605.