車敏 柳泉 張晗 空軍工程大學裝備管理與無人機工程學院
隨著近年來,計算機三維處理能力的增長和低成本傳感顯示元件的出現,虛擬現實得到了快速發(fā)展,特別是與現實世界產生了越來越多的結合技術,同時人們從虛擬和現實的兩個角度對虛擬現實進行了增強。這樣就又出現了在虛擬現實的基礎上的增強現實技術,增強現實是將虛擬對象疊加到了現實中。而增強現實和增強虛擬兩者集合又構成了混合現實。虛擬現實、增強現實與混合現實,這三者之間的相互關系及其各自的關鍵技術是本文重點討論的問題。
虛擬現實是采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸等一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境,用戶通過輸出設備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用,相互影響,從而產生身臨其境的感受和體驗。VR技術由于其超仿真效果被廣泛應用于產品展示、工業(yè)制造、醫(yī)療教學、軍事虛擬作戰(zhàn)、教育培訓等領域。
任何虛擬現實系統(tǒng)都可以用3個“I”來描述其特征:沉浸感—交互性—想象力。沉浸感,指用戶在模擬環(huán)境中所感受到的真實程度。交互性,指用戶對模擬環(huán)境內物體的可操作性和從環(huán)境得到反饋的自然程度。構想性,指虛擬環(huán)境使人沉浸其中并獲取新知識,提高感性和理性認識,深化認知萌發(fā)新意。其中沉浸感與交互性是決定一個系統(tǒng)是否屬于虛擬現實系統(tǒng)的關鍵特征。
VR系統(tǒng)通用體系結構,主要由虛擬現實產生器和輸入/輸出處理子系統(tǒng)兩部分結合形成一個較完整的VR系統(tǒng)。VR系統(tǒng)通常使用戶通過多種傳感和操縱設備,如頭盔式三維顯示器、數據手套、語音識別與跟蹤技術等,浸入虛擬環(huán)境中,為用戶提供了一種全新人機交互方式。
虛擬現實關鍵技術主要包括以下幾個方面:立體顯示技術、傳感器技術、三維圖形生成技術、動態(tài)環(huán)境建模技術、應用系統(tǒng)開發(fā)工具、系統(tǒng)集成技術、實時三維計算機圖形技術、立體聲、語音輸入輸出等相關技術。
增強現實技術,是在虛擬現實技術基礎上發(fā)展而來,是虛擬現實技術的進一步拓展。AR技術是通過可視化技術和計算機圖形技術實時計算攝影機影像的位置及角度并產生相應圖像、視頻、3D模型等現實環(huán)境中不存在的虛擬對象,通過傳感技術將虛擬對象準確“置”于真實環(huán)境中,借助顯示設備將虛擬對象與真實環(huán)境融為一體,并為用戶呈現出感官效果真實的新環(huán)境。這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。
增加現實有三個特點:1)把真實場景信息與虛擬信息相結合,即虛實融合2)可以實時地進行人機交互,即實時交互3)用于三維環(huán)境中,即三維注冊。
典型的AR系統(tǒng)通常由場景采集系統(tǒng)、跟蹤注冊系統(tǒng)、虛擬場景發(fā)生器、虛實合成系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和人機交互界面等多個子系統(tǒng)構成。其中場景采集系統(tǒng)負責獲取真實環(huán)境中的信息,如外界環(huán)境圖像或視頻,跟蹤注冊系統(tǒng)用于跟蹤觀察用戶的頭部方位和視線方向等,虛擬場景發(fā)生器用于虛擬圖形繪制系統(tǒng),負責生成要加入的虛擬圖形對象。虛實合成系統(tǒng)是指虛擬場景與真實場景對準的定位設備和算法。具體包括攝像頭、顯示設備、三維產品模型、現實造型及場景和軟件等。
混合現實包括增強現實和增強虛擬,該技術通過在虛擬環(huán)境中引入現實場景,在虛擬、現實和用戶之間搭起可實時交互的信息回路,以增強用戶體驗的真實感。是在VR和AR發(fā)展興起之后提出的一項概念,可以理解為AR的增強版。
MR系統(tǒng)通常有3個主要特點:1)現實與虛擬世界結合;2)實時交互性,即用戶可與真實世界及虛擬物體實時自然交互;3)三維虛擬模型的被匹配,即虛擬物體與真實世界精確地對準。MR與AR都具有虛實結合的特點,但兩者還存在著區(qū)別。混合現實的是亦虛亦實,亦幻亦真。足以讓人分不清真實與虛擬。AR是將動態(tài)的、背景專門化的信息加在用戶的視覺域上。它以真實世界為本位,強調讓虛擬技術服務于真實現實。
MR由于是在VR與AR的基礎上發(fā)展而來,故在硬件結構上MR系統(tǒng)同VR系統(tǒng)、AR系統(tǒng)的硬件具有一定繼承性和一致性。一個典型MR系統(tǒng)由虛擬場景生成器、頭盔顯示器、實現用戶觀察視線跟蹤的頭部姿態(tài)跟蹤設備、虛擬場景與真實場景對準的定位設備和交互設備構成。
VR是完全沉浸在基于真實模型或完全虛構的數字環(huán)境中,而AR是在真實環(huán)境中融入數字信息,兩者的相同點是,它們都使用多種信息源,通過編程為用戶創(chuàng)建視覺或其他感官的輸入,模仿產生某種體驗。盡管用戶感覺兩者非常相似,但兩者的不同點要遠遠大于相同點,最大的不同點是增強現實能夠在真實環(huán)境里工作,而虛擬現實則不能。
多倫多大學工業(yè)工程系的PaulMilgram對MR定義:真實和虛擬的世界在一個顯示設備中同時呈現。他提出“真實—虛擬連續(xù)集”概念,將真實與虛擬看作兩極,與處于軸線中間的增強現實和增強虛擬之間構成一個連續(xù)集,該系統(tǒng)即為混合現實構成體。而混合現實可位于虛擬連續(xù)集極值間任何位置MR的實現需要在一個能與現實世界各事物相互交互的環(huán)境中。當用戶在真實場景中移動時,虛擬物體也隨之位移而做出相應變化,使虛擬展示物體與真實展示環(huán)境之間能有一個完美結合。
如果一切事物都是虛擬的,那是VR,VR是純虛擬數字畫面。AR是現實事物上簡單疊加了一些虛擬信息,AR是虛擬數字畫面加上裸眼現實。MR是數字化現實加上虛擬數字畫面,MR的關鍵點就是與現實世界進行交互和信息的及時獲取。從概念上來說,MR與AR更為接近,都是一半現實一半虛擬影像,但傳統(tǒng)AR技術運用棱鏡光學原理折射現實影像,視角不如VR視角大,清晰度也會受到影響。MR技術是結合VR與AR的優(yōu)勢,它能更好地將AR技術體現出來。
AR技術與VR技術共同豐富著現實世界,AR技術在于增強現實世界的內容,VR技術則是將我們的注意力從現實中轉移到一個虛擬的空間。而MR則是將AR和VR完美相結合起來。如真正的混合現實游戲,是可以將現實與虛擬互動展現在玩家面前。這一點我們可以從電視一些綜藝節(jié)目中看到,比如英國著名的達人秀節(jié)目。MR技術能讓玩家同時保持與真實世界和虛擬世界的聯系,并根據自身的需要及所處情境進行調整操作。盡管目前全球從事MR領域的企業(yè)和團隊都比較少,很多都處于研究階段,但有研究機構預測到2020年,全球頭戴虛擬現實設備年銷售量將達到4000萬臺左右,市場規(guī)模約400億元,加上內容服務和企業(yè)級應用,市場容量會超過千億元?,F今國內一些科技企業(yè)已加入到VR設備和內容的研究中,在內容創(chuàng)造方面,也有了MR的作品。所有這些都將推動VR更快向AR、MR技術過渡。