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虚拟现实(VR)和增强现实(AR)的未来发展前景

  早在2015年的谷歌I/O大会在5月28日至29日于旧金山举行,虚拟现实作为重要的议题引发了无数人的探讨。虚拟现实对普通的网友来说可能还是一个陌生的词汇,但是在业内人士眼中虚拟现实绝对会成为下一个杀手级技术。今年的谷歌大会再次让大家把目光投放到了虚拟现实技术,但它还并未真正被大众所理解。可能有些人会说,虚拟现实就是佩戴着一个笨重的头戴显示设备,观看一些虚拟出来的内容,会有一种置身其中的感觉;可能有些人还是会问,虚拟现实到底是什么?

  VR得益于三维游戏的发展,而AR收益于影视领域的跟踪技术(video tracking)的发展。从技术门槛的角度来说,VR、AR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……所以在硬件上,这些都不是技术难点。

  VR、AR的难点都在感知和显示,感知是一种mapping,VR mapping的是一个lighthouse的空间或者PS camera mapping的一个交叉;在显示上,VR如何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。而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。

  而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,则会引发辐辏→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。正因为此,AR行业一片冷寂,而VR行业非常火爆,因为VR的技术门槛比AR低一个数量级,VR更容易成功。

  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(见《追踪设备的使用场景和覆盖范围有哪些局限?是否会影响VR可交互的空间的设计?》)

  目前的虚拟现实技术的呈现,主要是体验者依靠全封闭的头戴型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。

  虚拟现实技术大家来说还是充满了神秘感,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。想必大家都会觉得虚拟现实技术是一门高新技术,但其实不然,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

  下面笔者就从虚拟现实相关技术、虚拟现实设备、虚拟现实的不足等三个方面,为大家层层揭开虚拟现实技术神秘的面纱。

  一、3D模型实现了现实的虚拟

  笔者认为从本质上说,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产生的,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、系统集成技术等五大项。

  一张图带你了解虚拟现实系统

  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桢/秒,最好是高于30桢/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。

  二、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;分布式则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,下面笔者就以其为例,介绍一下已经实现产品化的虚拟现实设备。

  头戴式显示器

  谷歌、三星、索尼等公司都推出了自己的显示头戴产品,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5DT、Cyber Glove、DGTech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Virtualizer,Virtuix公司推出了Omni等产品,国外的消费者们已经可以购买到了。

  以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。

  三、虚拟现实难以突破的瓶颈

  无法完全解决的眩晕感——你可能会呕吐

  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。

  无法完全解决的眩晕感

  “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。

  “沉浸体验”和“真实感”难兼得

  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未能到达这一分辨率,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

  也许你佩戴上虚拟现实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。当你佩戴虚拟现实显示器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。

  虚拟现实是一个造梦的行业

  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。

  虚拟现实技术的发展还不够成熟

  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,虚拟现实头戴显示的画面还不够清晰,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。你会发现虚拟现实的一切都值得去等待

  相信无论虚拟现实技术如何发展,产业怎样演进,还有很多的未知等着我们去发现,无论是创新的引领者、推广者还是接受者,都应保持一颗开放、宽容的心来迎接更多的可能。相信,你会发现虚拟现实的一切都值得去等待。

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作者: 来源:信息化协同创新专委会 发布时间:2017-11-13 05:57:54
 
 
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