增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間關(guān)系及其關(guān)鍵技術(shù)探討

王凌云, 陳亮

摘要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)打開了物理空間和虛擬空間交互的大門，具有一定發(fā)展?jié)摿Γ瑸榇蟊妿砩疃瘸两襟w驗(yàn)。作為賽博空間的衍生品，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，催生出新型空間認(rèn)知方式，具有點(diǎn)集、線集、面集空間社會交互關(guān)系。分析構(gòu)建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間視覺處理、視覺增強(qiáng)、視覺推理、多維度交互以及認(rèn)知修正等關(guān)鍵技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間帶來了開放、新奇的交互體驗(yàn)，但也存在不足，需要進(jìn)一步探索。本文以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間為引，探討其概念與內(nèi)涵、空間關(guān)系、關(guān)鍵技術(shù)以及應(yīng)用價(jià)值等。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)； 賽博空間； 空間認(rèn)知； 空間關(guān)系 ；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TP37? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）32-0097-03

1 概述

計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展讓世界萬物的空間展現(xiàn)方式和環(huán)境發(fā)生質(zhì)的變化，人們不再局限于現(xiàn)實(shí)世界物體展現(xiàn)方式，而是希望在物理世界與虛擬世界的萬物進(jìn)行交互，從而獲得更具新奇、開放、生動(dòng)的感官體驗(yàn)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)即可滿足上述需求。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種展現(xiàn)空間的增強(qiáng)方式，不僅可以改變物理空間環(huán)境、物體的展現(xiàn)方式，還可以全新、深度地傳遞感官體驗(yàn)。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與空間概念結(jié)合是本文探討重點(diǎn)問題，以期以互聯(lián)網(wǎng)思維、賽博空間概念實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)創(chuàng)造空間模式的創(chuàng)新化和多元化。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間的概念與內(nèi)涵

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)借助物理設(shè)備和新型媒介增強(qiáng)人們對世界的認(rèn)識，主要存在物理與虛擬兩個(gè)空間。物理空間即真實(shí)存在的世界，虛擬空間即虛擬信息，以附加文字、圖像、模型等為存在形式進(jìn)行空間模擬和展現(xiàn)，為物理空間添加一層或多層信息。賽博空間由龐大信息數(shù)據(jù)幾何體構(gòu)建而成，是物理空間的一種虛擬重構(gòu)，是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成的交流空間[1]。利用視、聽、觸等多維反饋信息增強(qiáng)人們對事物的理解，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間表達(dá)方式重點(diǎn)在于人們感知和理解的一致性，讓物理實(shí)體和虛擬信息共存于一個(gè)空間中，可以視作賽博空間理論衍生品。基于賽博空間的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間并不再是簡單的歐幾里得空間理論衍生品，而是人工構(gòu)建的關(guān)系空間。用戶在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間中，面對“距離”“方向”等空間信息還存在認(rèn)知，即是說，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)構(gòu)建的空間應(yīng)該是一種“類真實(shí)空間”[2]。如圖1所示，存在物理空間和虛擬空間、實(shí)體用戶和虛擬角色之間的多層虛擬嵌套關(guān)系。

3 物理空間與虛擬空間的關(guān)系

物理與虛擬空間交流的橋梁關(guān)鍵在于交互，目前的交互正在經(jīng)歷從“全面虛擬”到“虛實(shí)結(jié)合”的發(fā)展[3]。交互設(shè)備從頭盔式發(fā)展到智能一體機(jī)。一個(gè)典型的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互流程中，交互對象大致分為用戶、環(huán)境、設(shè)備、虛擬對象四類，不同交互對象空間交互模式不同，用戶通過選擇恰當(dāng)交互方式進(jìn)行交互，例如手勢、語音、手柄等。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界里，以物理空間為主體、虛擬空間疊加，物理空間與虛擬空間是互相聯(lián)系的關(guān)系，二者同等重要。從賽博空間視角分析，物理空間與虛擬空間的關(guān)系，是多層次、多階段的復(fù)雜動(dòng)態(tài)關(guān)系[4]。從空間度量來看，如圖2所示，可以分類為點(diǎn)、線、面三種關(guān)系。

3.1 點(diǎn)集關(guān)系

傳統(tǒng)人與人的信息共享是通過手機(jī)、電視、互聯(lián)網(wǎng)等傳播技術(shù)實(shí)現(xiàn)，地域性是特點(diǎn)之一，由于實(shí)體空間地域限制，用戶往往被動(dòng)接受信息。而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的出現(xiàn)，使得地域型實(shí)體空間逐漸分離，人與人之間的關(guān)系和信息共享方式實(shí)現(xiàn)重組，從地域型人際關(guān)系變?yōu)榕d趣型或者利益型人際關(guān)系，從被動(dòng)共享信息到主動(dòng)共享信息。根據(jù)選擇，用戶可以在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)創(chuàng)造的虛擬世界里根據(jù)共同愛好或個(gè)人利益進(jìn)行社交，忽略淡薄物理空間的社交關(guān)系。此外，目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用及設(shè)備多半是通過掃描視線范圍內(nèi)的地理環(huán)境位置信息來工作的，應(yīng)用場景有限，以上增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間會形成新型線上線下的點(diǎn)集關(guān)系。

3.2 線集關(guān)系

互聯(lián)網(wǎng)帶來的信息共享是平等快速的?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間形成的新型個(gè)人社交必然會促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)跨地域信息傳播，加強(qiáng)各個(gè)地域之間的聯(lián)系，而且這個(gè)過程是動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的。例如，互聯(lián)網(wǎng)形成的關(guān)系因?yàn)榈赜蛑g的經(jīng)濟(jì)水平會明顯存在差異性，經(jīng)濟(jì)水平較高的地區(qū)享受更好的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和設(shè)備，支持人們參與各種線上活動(dòng)，代替原本的線下教育、資源共享等需求，而偏遠(yuǎn)落后地區(qū)由于無法提供客觀硬件條件上的服務(wù)，無法普及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，人們線上活動(dòng)受阻，因此地域之間形成地域壟斷的復(fù)雜線集關(guān)系。

3.3 面集關(guān)系

即便存在復(fù)雜的人機(jī)關(guān)系、地域關(guān)系和經(jīng)濟(jì)差異，人與人之間、城市與城市之間、國家與國家之間的聯(lián)系無可厚非逐步顯現(xiàn)為全球化。人們往往會向發(fā)展中心移動(dòng)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界里，完善的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、豐富的文娛生活、多樣的城市空間往往會成為發(fā)展中心，導(dǎo)致偏遠(yuǎn)地區(qū)線上空間的信息、資金、人員等聯(lián)系減弱，而發(fā)展中心的互動(dòng)增強(qiáng)，在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間中即可構(gòu)造類似于全球城市的存在，以此形成多樣化的面集關(guān)系。

4 構(gòu)建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間的關(guān)鍵技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間旨在對各自的應(yīng)用空間場景進(jìn)行增強(qiáng)。一方面通過可視化技術(shù)和視覺增強(qiáng)技術(shù)將高維度信息直觀展示，增強(qiáng)用戶信息感知度和理解度。另一方面，通過視覺推理技術(shù)增強(qiáng)用戶對事件的決策能力，最后通過交互技術(shù)，修正用戶認(rèn)知偏差。

4.1 可視化增強(qiáng)

人具有感知數(shù)據(jù)的能力，即視覺注意，作用在于快速選擇最重要也是最相關(guān)信息，但有用信息無法通過人類肉眼從高維度信息直接提取，需要通過可視化技術(shù)進(jìn)行自適應(yīng)視覺分析和數(shù)據(jù)挖掘?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間可視化，彌補(bǔ)人與高維數(shù)據(jù)之間的鴻溝。集合云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)的視覺增強(qiáng)技術(shù)可以實(shí)時(shí)視頻、建模，將各類信息轉(zhuǎn)化為對真實(shí)環(huán)境的感知，用戶可以同時(shí)感受物理空間和虛擬空間，有較好的多維感知體驗(yàn)。

4.2 視覺推理

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間中，物理空間和虛擬空間之間的交互以及用戶與場景之間的交互方式、順序和效果都是挑戰(zhàn)性的。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及語義分析技術(shù)對高維度信息進(jìn)行分析、推理、決策，將高層次的分析任務(wù)轉(zhuǎn)換成低水平的視覺認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)輔助用戶處理多種數(shù)據(jù)并進(jìn)行推理。

4.3 交互評估

利用人機(jī)交互技術(shù)和認(rèn)知評估技術(shù)集成多機(jī)學(xué)習(xí)、構(gòu)建人類決策模型，提供交互學(xué)習(xí)模塊，是自主適用環(huán)境變化和挖掘情報(bào)的實(shí)際需要。在現(xiàn)有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間中，數(shù)據(jù)具有不完備性、不確定性以及復(fù)雜性，會影響用戶做出最佳決策。因此，需要在邏輯判斷基礎(chǔ)上，不斷發(fā)展人機(jī)認(rèn)知推理，感情互動(dòng)以及輔助性決策，有助于自適應(yīng)地增強(qiáng)用戶智能，是今后的發(fā)展方向。

5 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間的應(yīng)用與價(jià)值

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，大眾接收信息的平臺，思考問題的方式以及理念在不斷改變，信息展示空間的設(shè)計(jì)也在日漸變化[5]。網(wǎng)絡(luò)游戲雖然仍然是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間的主戰(zhàn)場，用戶通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備置身于虛擬化、場景化、沉浸式的游戲氛圍中，帶來了物理空間和虛擬空間不一樣的交互體驗(yàn)。然而不可否認(rèn)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)催生的“虛實(shí)結(jié)合”的空間泛化性、構(gòu)想性、交互性強(qiáng)，發(fā)展?jié)摿Υ螅澜绺鲊鶎⑵渥鳛閿?shù)字經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)發(fā)展方向之一。目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事、醫(yī)療、娛樂、教育、工業(yè)、考古等領(lǐng)域都有很多新型的產(chǎn)品和應(yīng)用，但增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備在佩戴上以及視覺舒適度上等方面還有待進(jìn)一步提高體驗(yàn)感，具有一定戰(zhàn)略意義和應(yīng)用價(jià)值。

5.1 信息展示領(lǐng)域

信息展示一直是信息時(shí)代亟待解決的核心問題，無論是智慧城市的建造、軍事基地的打造，醫(yī)療過程的預(yù)演和展示等，都包含了大量的可視化信息在內(nèi)。用戶往往希望從各個(gè)方面獲得更多更有價(jià)值的專業(yè)知識信息、但因?yàn)閭€(gè)人時(shí)間、精力想象力等主觀因素以及設(shè)備、地域、展示等方式客觀因素的局限性，可獲得的有用信息寥寥無幾，導(dǎo)致很多專業(yè)性知識未能在社會中傳遞信息和價(jià)值。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造的空間能很好改善上述問題。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間中創(chuàng)造的文字、圖像、3D模型清晰、有序、具體地呈現(xiàn)各種類型的豐富知識，極大程度上簡化大眾對知識的獲取和認(rèn)知，還為大眾打造提供一個(gè)簡單化的、共享的、動(dòng)態(tài)的、多維的、靈活的、舒適的展示方式，充分激發(fā)用戶瀏覽信息的興趣和學(xué)習(xí)的自主性。

5.2 體驗(yàn)交互領(lǐng)域

從用戶體驗(yàn)感出發(fā)，營造一種交互的、雙向的、有效溝通的交互方式以及人性化、科技化、增強(qiáng)化的空間體驗(yàn)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。針對不同場景、不同情況有不同的空間交互設(shè)計(jì)模式，與特定設(shè)備結(jié)合會產(chǎn)生更好的展示和交互效果，為用戶提供不同尋常的空間。從簡單的鼠標(biāo)鍵盤交互到觸摸屏的多點(diǎn)觸摸，通過自然的手勢交互實(shí)現(xiàn)虛擬對象的創(chuàng)建和操作。除此之外，利用語音識別技術(shù)進(jìn)行指令交互，利用人臉識別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解鎖，利用可穿戴設(shè)備獲取用戶肌肉、手指、臉部信息完成數(shù)據(jù)的傳輸和交互，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)云將數(shù)百萬的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)個(gè)人、社區(qū)空間連接形成增強(qiáng)認(rèn)知空間。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間弱化交互過程產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，讓用戶在有限時(shí)間里和共享空間中能更輕松自然地進(jìn)行交互、交流，實(shí)現(xiàn)用戶從單向的、被動(dòng)地參與到雙向的、主動(dòng)的交互，從單一的視覺體驗(yàn)到多維的感官刺激，知識傳播效率提高，物理空間和虛擬空間關(guān)系變得更加緊密。

6 結(jié)論

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，技術(shù)與藝術(shù)完美組合。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間實(shí)質(zhì)是互聯(lián)網(wǎng)空間隨著計(jì)算、通信以及顯示技術(shù)的快速提升而發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。本文針對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間內(nèi)涵和空間關(guān)系進(jìn)行了探討，基于賽博空間定義構(gòu)造的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間關(guān)系豐富且復(fù)雜，指出增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間交互帶來的效應(yīng)與挑戰(zhàn)是影響增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)普及應(yīng)用的主要因素。未來，在人工智能、大數(shù)據(jù)、5G等新興技術(shù)的支撐下，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間必然會承載更多用戶與交互，提供更加完善的技術(shù)和仿真的體驗(yàn)。增強(qiáng)顯示技術(shù)在致力于空間交互感的升級和技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)，還要更進(jìn)一步打破物理空間和虛擬空間的隔閡，改變?nèi)祟愓J(rèn)知方式和思維方式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 費(fèi)安翔，徐岱.賽博空間概念的三個(gè)基本要素及其與現(xiàn)實(shí)的關(guān)系[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2015，41（2）：111-119，191.

[2] 周未，解文彬，李磊.賽博空間安全框架設(shè)計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)評估方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2016，52（18）：122-126.

[3] 王安然.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)環(huán)境下真實(shí)與虛擬關(guān)系的實(shí)在性分析[J].自然辯證法通訊，2021，43（4）：40-46.

[4] 袁慶曙，王若楠，潘志庚，等.空間增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)交互技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2021，33（3）：321-332.

[5] 葉帥男，儲向童，巫英才.沉浸式可視化綜述[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2021，33（4）：497-507.

【通聯(lián)編輯：唐一東】