VR/AR
发布日期:2019-05-21
        

早在2015年在旧金山举行的谷歌I/O大会,虚拟现实作为重要的议题引发了无数人的探讨。

(一)相关概念

虚拟现实(VirtualRealityVR)是指采用计算机技术为核心的现代高科技手段生成一种虚拟环境,用户借助特殊的输入/输出设备,与虚拟世界中的物体进行自然的交互,从而通过视觉、听觉和触觉等获得与真实世界相同的感受。即虚拟现实是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面,综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术,模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能,使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中,并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互,创建了一种适人化的多维信息空间。

增强现实(AugmentedReality,简称AR),是一种利用计算机系统产生三维信息来增强用户对现实世界感知的新技术。一般认为,AR技术的出现源于虚拟现实技术(VirtualReality,简称VR)的发展,但二者存在明显的差别。传统VR技术给予用户一种在虚拟世界中完全沉浸的效果,是另外创造一个世界;而AR技术则把计算机带入到用户的真实世界中,通过听、看、摸、闻虚拟信息,来增强对现实世界的感知,实现了从人去适应机器到技术以人为本的转变。

混合现实技术(MixedReality,简称MR)是虚拟现实技术的进一步发展,该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息,在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路,以增强用户体验的真实感

(二)相关技术

虚拟现实(VR得益于三维游戏的发展,而增强现实(AR收益于影视领域的跟踪技术(video tracking)的发展。

1、硬件技术以及难点

从技术门槛的角度来说,VRAR和移动端重合的技术有:显示器、运动传感器、处理器、储存&记忆、无线连接等,所以在硬件上,这些都不是技术难点。

VRAR的难点都在感知和显示,感知是一种mappingVR mapping的是一个lighthouse的空间或者PS camera mapping的一个交叉;在显示上,VR精准地匹配用户的头部产生相应的画面,AR则在这基础上算出光照、遮挡等情况并让图像通透不干扰现实中的视线。

VR硬件的难点在于光学的镜片技术和位置追踪技术,因为以前的移动端不涉及这些技术,仅有粗泛的地图定位机制。

AR的硬件难点在于显示和感知,显示最大的难点在于accommodation,因为用户看见虚拟物体固定在2-3米的位置,而现实物体却可以前后聚焦,如果这时虚拟物体放在现实物体上,则会引发用户聚焦错乱;而在感知上,即使是有Kinect是十几年积累的hololens,它已经做到世界第一了,可它的spatial mapping仍需要花费很多时间去扫描去建模,至限在狭小的室内走来走去,而在室外就完全失效了。

当然,也因为这些技术的门槛,导致硬件价格居高不下。也正因为VR的技术门槛比AR低一个数量级,导致VR更容易成功。所以,AR行业一片冷寂,而VR行业非常火爆。

2、软件技术以及难点

从软件角度来说,现阶段视觉上的难点比较多:

VR的核心技术是tracking(追踪)和CG(计算机图形)。三自由度的方向追踪,六自由度的位置追踪。 

虚拟现实技术的画面呈现感,主要是体验者依靠全封闭的头戴显示器观看电脑模拟产生的虚构世界的影像,并配有耳机、运动传感器或其他设备等,为其提供视觉、听觉、触觉等方面的感官体验。虚拟现实系统的整套设备可以根据体验者的反应做出反馈,使体验者达到身临其境的感觉。

目前,虚拟现实技术对大众充满了神秘感,除了知道各高端品牌推出的头戴显示器外,恐怕对虚拟现实技术就再无太多的了解了。早在1965年就有科学家在论文中提及了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想,而第一个头戴显示器早在1966年就由MIT林肯实验室研制成功了。

13D模型实现了现实的虚拟

从本质上说,虚拟现实是一种先进的计算机用户接口,它通过给用户同时提供视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段,因此具有多感知性、存在感、交互性、自主性等重要特征。其实,虚拟现实技术并不是一项单一的技术,而是多种技术综合后的产物,其核心的关键技术主要有动态环境建模技术、立体显示和传感器技术、系统开发工具应用技术、实时三维图形生成技术、系统集成技术五大项。

●动态环境建模技术

动态环境建模技术是虚拟现实比较核心的技术,它的目的是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。

●立体显示和传感器技术

虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要,虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围有待提高。同时,显示效果对虚拟现实的真实感、沉浸感,都需要通过高的清晰度来实现。

●系统开发工具应用技术

虚拟现实技术应用的关键是寻找合适的场合和对象,即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的,必须研究虚拟现实的开发工具。例如,虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。

●实时三维图形生成技术

目前,三维图形技术已经较为成熟,其关键是如何实现“实时”三维效果的生成。为了达到实时的目的,至少要保证图形的刷新率不低于15/秒,最好是高于30/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下,如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。

●系统集成技术

集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型,因此系统的集成技术也起着至关重要的作用。

另外,虚拟现实系统主要由检测模块、反馈模块、传感器模块、控制模块、建模模块构成。

检测模块,检测用户的操作命令,并通过传感器模块作用于虚拟环境。

反馈模块,接受来自传感器模块信息,为用户提供实时反馈。

传感器模块,一方面接受来自用户的操作命令,并将其作用于虚拟环境;另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。

控制模块则是对传感器进行控制,使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。

建模模块,获取现实世界组成部分的三维表示,并由此构成对应的虚拟环境。

在五个模块的协调作用下,最终够建出3D模型,实现对现实的虚拟。

2)它模糊的虚拟与现实界限

虚拟现实系统根据体验者参与形式的不同大致可分为四种模式:桌面式、沉浸式、增强式和分布式。

桌面式,以普通显示器或者立体现实器影像为呈递窗口;

沉浸式,利用头戴式显示器显示影像;增强式则是把真实环境和虚拟环境叠加在一起,现在已成为虚拟现实的分支,即增强现实;

分布式,是将异地不同用户联结起来,共同观看、操作同一虚拟世界中的内容。

同时,虚拟现实系统还可以配备位置跟踪器、数据手套和其他辅助设备、设施等,为体验者提供更真实的沉浸感现实体验。

目前,最为受推崇的应该要算沉浸式虚拟现实系统了,其典型的虚拟设备如下:

●头戴式显示器

谷歌、三星、索尼等公司都推出了自己的头戴显示产品,大部分已投放到市场中,以具有领航者身份的Oculus Rift显示头戴最具代表性,其拥有110°视角,全封闭视觉环境。在戴上它之后,使用者将看到另一个虚拟的世界,通过双眼视差以及画面变形,使用者会有很强的立体感与景深感,仿佛置身虚拟世界当中。此外设备中配有陀螺仪、加速计,用以追踪头部转动,达到更加强烈的浸入感。

●数据手套

数据手套也是虚拟现实系统的重要组成,集成了传感器技术和光纤技术等,可以实时获取人手的动作姿态,感知手指关节的弯曲状态,精确定位,产生力反馈,在虚拟现实环境中再现人手动作,已达到人机交互的目的。 

目前,虚拟现实数据手套主要有5DTCyber GloveDGTech等公司生产,根据使用者的需求,提供不同配置、精确度的版本选择,价格在几千元到几万元间不等。

●全方位跑步机

虚拟现实跑步机,必然不同于一般的跑步机,它底部是一个平面光滑平台,基本是由三根支架固定,中间的腰环来固定人体的位置,可能需要特殊的鞋子,可实现走、跑、坐、下蹲、跳跃、小幅度平移等动作。目前, Cyberith公司推出了VirtualizerVirtuix公司推出了Omni等产品,国外的消费者们已经可以购买到了。 

Virtuix Omni虚拟现实跑步机为例,其需要与Oculus Rift虚拟现实头戴装置或PC控制器来配合使用,无法独立运行。在配备了专用的跑鞋、游戏枪之后,就可以用第一人称的视角来进行FPS射击游戏,可以模拟在游戏中的场景,根据自己的自由意志进行自然的移动,真正的做到“跑起来”的感觉。Virtuix Omni专用的跑步鞋可以通过与跑步机地盘上的传感器同步数据,并且在佩戴Oculus Rift之类的虚拟现实设备之后,玩家转头、侧身等动作都可以在游戏中同步,带来绝对身临其境的感受。可以说整套系统最大程度的整合了视觉、听觉、动作等因素,给人以极大的逼真感,彻底模糊了虚拟与现实的界限。

3)虚拟现实难以突破的瓶颈

●无法完全解决的眩晕感

目前,虚拟现实体验上的最大问题就是眩晕感。体验者在适应全新的感官环境时,可能会出现类似晕车的状况。虽然一些研究人员表示在虚拟影像中添加一个鼻部图像,可能会帮助体验者更好地适应,但目前尚未得到虚拟现实设备及软件厂商的支持。虽然一些高端设备在不同程度上解决了眩晕感的问题,但因体验者自身身体状况、适应能力的影响,还是无法完全避免眩晕感的产生,体验者连续佩戴的时间可能无法超过30分钟。 

●“沉浸体验”和“真实感”难兼得

沉浸体验常被作为衡量虚拟现实好坏的一个重要指标,然而在当前的技术条件下,沉浸体验却成了另一个衡量指标——画面“真实感”(即清晰度)的“天敌”。

想要画面变得更真实,就需要高清晰度来支持,如果清晰度提高了,那么画面就会离人眼更远,从而降低沉浸体验;反之亦然。之所以会如此,主要是因为屏幕分辨率的限制。我们可以理解为,离屏幕越近,颗粒感越强,而颗粒感,通过透镜放大后进一步明显,从而使得人眼获取的实境比较模糊;如果分辨率没有高到一定程度,就无法解决这个难题。 

如果要达到沉浸体验和清晰度的均衡,至少需要4K的分辨率,但目前,市面上各家VR头戴显示器公司所生产的产品还无法完成这一分辨率,都还在探索如何在“沉浸体验感”和“清晰度”间找到更好的“平衡点”,以求得在相对好的沉浸体验下,不降低清晰度。不过,这个矛盾仅仅是VR硬件上所面临诸多问题中的一个。

●屏幕刷新率也是一个难以突破的瓶颈

120HZ的屏幕刷新率是保证VR画面接近于现实的最低要求,当前手机屏幕的刷新率基本还停留在60HZ水平,PC显示器可以满足。同时,刷新率的提升,会对芯片的计算、功耗造成很大压力,这对设备的硬件提出了要求。 

●你也许觉得自己很酷,但别人认为很蠢

也许你佩戴上头戴显示器会觉得自己很酷,但从旁观者的角度来说,无疑会感觉你有些怪异和愚蠢。当你沉浸在虚拟世界里时,你的眼睛被完全蒙上了,看不到现实周围的情况,自言自语或是大笑大叫,显然会让周围的人感到你很滑稽。另外,对于一些本来就分不清幻想和现实的病人来说,虚拟现实可能会对他们造成更严重的精神问题,加重他们的病情,甚至在严重的情况下,还有可能会出现妄想症。

即便虚拟现实技术发展慢于预期、也存在一些需要解决的问题,它仍是最有潜力的趋势化技术。屏幕分辨率、刷新率,芯片计算能力、功耗以及元件上的瓶颈,直接限制了虚拟现实技术在手机端的发展。硬件和内容的双重掣肘,让虚拟现实很大程度上还只停留在“概念”层面。而资本市场的过度繁荣,虽然带来了一些利好,但并未解决产业的实质问题。 

虚拟现实是一个造梦的行业,立体化的拓展了我们的感知空间,也许现在虚拟现实技术的未来还不能够清晰的被勾勒出来,相关产品的普及也还需要很长一段时间。现在,头戴显示器的画面还不够清晰,仍然可以看到像素颗粒,你也无法去触摸你看到的东西,但随着时间的推移,这一切都会有所改观。虽然目前虚拟现实技术的发展还不够成熟,存在着许多争议,但不可否认的是,虚拟现实技术将会成为一种重要的新媒介、新的平台,无论是对于游戏还是社交,亦或是其他更多领域。

(三)应用领域

增强现实(AR)技术在如尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用,而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性,在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域,具有比虚拟现实(VR)技术更加明显的优势。在工业维修领域,通过头盔式显示器将多种辅助信息显示给用户,包括虚拟仪表的面板、被维修设备的内部结构、被维修设备零件图等信息。在军事领域,部队可以利用增强现实(AR)技术,进行方位的识别,获得实时所在地点的地理数据等重要军事数据。在市政建设规划领域,利用增强现实(AR)技术将规划效果叠加真实场景中以直接获得规划的效果。在旅游、展览领域,人们在浏览、参观的同时,通过增强现实(AR)技术将接收到途经建筑的相关资料,观看展品的相关数据资料。在数字化文化遗产保护和古迹复原领域,文化古迹的信息以增强现实(AR)的方式提供给参观者,用户不仅可以通过 HMD 看到古迹的文字解说,还能看到遗址上残缺部分的虚拟重构。在水利水电勘察设计领域,为水利水电三维模型的应用提供了更好的展示手段,使得三维模型与二维的设计、施工图纸能更加紧密地结合起来。在网络视频通讯领域,利用增强现实(AR)和人脸跟踪技术,在通话的同时在通话者的面部实时叠加一些如帽子、眼镜等虚拟物体,在很大程度上提高了视频对话的趣味性。在电视转播领域,利用增强现实(AR)技术可以在转播体育比赛的时候实时的将辅助信息叠加到画面中,使得观众可以得到更多的信息。在娱乐、游戏领域,增强现实游戏可以让位于全球不同地点的玩家,共同进入一个真实的自然场景,以虚拟替身的形式,进行网络对战。增强现实(AR)技术在勘察设计领域中可以有效地应用于实时方案比较、设计元素编辑、三维空间综合信息整合、辅助决策和设计方案多方参与等方面。在医疗领域,医生可以利用增强现实(AR)技术,轻易地进行手术部位的精确定位。

早在20世纪70年代便开始将虚拟现实用于培训宇航员。由于这是一种省钱、安全、有效 的培训方法,现在已被推广到各行各业的培训中。目前,虚拟现实已被推广到不同领域中,得到广泛应用。在科技开发上虚拟现实可缩短开发周期,减少费用。例如克莱斯勒公司1998年初便利用虚拟现实技术,在设计某两种新型车上取得突破,首次使设计的新车直接从计算机屏幕投入生产线,也就是说完全省略了中间的试生产。由于利用了卓越的虚拟现实技术,使克莱斯勒避免了1500项设计差错,节约了8个月的开发时间和8000万美元费用。利用虚拟现实技术还可以进行汽车冲撞试验,不必使用真的汽车便可显示出不同条件下的冲撞后果。 在虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起,成为人类探索客观世界规律的三大手段。用它来设计新材料,可以预先了解改变成分对材料性能的影响。在材料还没有制造出来之前便知道用这种材料制造出来的零件在不同受力情况下是如何损坏的。商业上虚拟现实常被用于推销。例如建筑工程投标时,把设计的方案用虚拟现实技术表现出来,便可把业主带入未来的建筑物里参观,如门的高度、窗户朝向、采光多少、屋内装饰等,都可以感同身受。它同样可用于旅游景点以及功能众多、用途多样的商品推销。因为用虚拟现实技术展现这类商品的魅力,比单用文字或图片宣传更加有吸引力。医疗上虚拟现实应用大致上有两类。一是虚拟人体,也就是数字化人体,这样的人体模型医生更容易了解人体的构造和功能。另一是虚拟手术系统,可用于指导手术的进行。军事上,利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的多快好省的研究战争、培训指挥员的方法。也是由于虚拟现实技术达到很高水平,所以尽管不进行核试验,也能不断改进核武器。战争实验室在检验预定方案用于实战方面也能起巨大作用。1991年海湾战争开始前,美军便把海湾地区各种自然环境和伊拉克军队的各种数据输入计算机内,进行各种作战方案模拟后才定下初步作战方案。后来实际作战的发展和模拟实验结果相当一致。娱乐上应用是虚拟现实最广阔的用途。英国出售的一种滑雪模拟器。使用者身穿滑雪服、脚踩滑雪板、手拄滑雪棍、头上载着头盔显示器,手脚上都装着传感器。虽然在斗室里,只要做着各种各样的滑雪动作,便可通过头盔式显示器,看到堆满皑皑白雪的高山、峡谷、悬崖陡壁,一一从身边掠过,其情景就和在滑雪场里进行真的滑雪所感觉的一样。

(四)虚拟现实与增强现实的区别

1.侧重点不同

VR强调用户在虚拟环境中视觉、听觉、触觉等感官的完全浸没,强调将用户的感官与现实世界绝缘而沉浸在一个完全由计算机所控制的信息空间之中。

AR不仅不隔离周围的现实环境,而且强调用户在现实世界的存在性并努力维持其感官效果的不变性。AR系统致力于将计算机产生的虚拟环境与真实环境融为一体,从而增强用户对真实环境的理解。

2.技术不同

VR侧重于创作出一个虚拟场景供人体验。AR强调复原人类的视觉的功能,比如自动识别跟踪物体,而不是手动指出;自动跟踪并且对周围真实场景进行3D建模,而不是照着场景做一个极为相似的。

3.设备不同

VR通常需要借助能够将用户视觉与现实环境隔离的显示设备,一般采用浸没式头盔显示器。

AR需要借助能够将虚拟环境与真实环境融合的显示设备。

4.交互区别

因为VR是纯虚拟场景,所以VR装备更多的是用于用户与虚拟场景的互动交互,更多的使用是:位置跟踪器、数据手套、动捕系统、数据头盔等等。

由于AR是现实场景和虚拟场景的结合,所以基本都需要摄像头,在摄像头拍摄的画面基础上,结合虚拟画面进行展示和互动,比如GoogleGlass

5.应用区别

虚拟现实强调用户在虚拟环境中的视觉、听觉、触觉等感官的完全浸没,对于人的感官来说,它是真实存在的,而对于所构造的物体来说,它又是不存在的。因此,利用这一技术能模仿许多高成本的、危险的真实环境。因而其主要应用在虚拟教育、数据和模型的可视化、军事仿真训练、工程设计、城市规划、娱乐和艺术等方面。

增强现实并非以虚拟世界代替真实世界,而是利用附加信息去增强使用者对真实世界的感官认识。因而其应用侧重于辅助教学与培训、医疗研究与解剖训练、军事侦察及作战指挥、精密仪器制造和维修、远程机器人控制、娱乐等领域。


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