虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）的未來發(fā)展前景


早在2015年的谷歌I/O大會在5月28日至29日于舊金山舉行，虛擬現(xiàn)實作為重要的議題引發(fā)了無數(shù)人的探討。虛擬現(xiàn)實對普通的網(wǎng)友來說可能還是一個陌生的詞匯，但是在業(yè)內(nèi)人士眼中虛擬現(xiàn)實絕對會成為下一個殺手級技術。今年的谷歌大會再次讓大家把目光投放到了虛擬現(xiàn)實技術，但它還并未真正被大眾所理解?？赡苡行┤藭f，虛擬現(xiàn)實就是佩戴著一個笨重的頭戴顯示設備，觀看一些虛擬出來的內(nèi)容，會有一種置身其中的感覺；可能有些人還是會問，虛擬現(xiàn)實到底是什么？
    VR得益于三維游戲的發(fā)展，而AR收益于影視領域的跟蹤技術（video tracking）的發(fā)展。
    從技術門檻的角度來說，VR、AR和移動端重合的技術有：顯示器、運動傳感器、處理器、儲存&記憶、無線連接……所以在硬件上，這些都不是技術難點。
    VR、AR的難點都在感知和顯示，感知是一種mapping，VR mapping的是一個lighthouse的空間或者PS camera mapping的一個交叉；在顯示上，VR如何精準地匹配用戶的頭部產(chǎn)生相應的畫面，AR則在這基礎上算出光照、遮擋等情況并讓圖像通透不干擾現(xiàn)實中的視線。
    而VR硬件的難點在于光學的鏡片技術和位置追蹤技術，因為以前的移動端不涉及這些技術。
    而AR的硬件難點在于顯示和感知，顯示*大的難點在于accommodation，因為用戶看見虛擬物體固定在2-3米的位置，而現(xiàn)實物體卻可以前后聚焦，如果這時虛擬物體放在現(xiàn)實物體上，則會引發(fā)輻輳→用戶聚焦錯亂；而在感知上，即使是有Kinect是十幾年積累的hololens，它已經(jīng)做到世界第一了，可它的spatial mapping仍需要花費很多時間去掃描去建模，至限在狹小的室內(nèi)走來走去，而在室外就完全失效了。
    當然，也因為這些技術的門檻，導致硬件價格居高不下。
    正因為此，AR行業(yè)一片冷寂，而VR行業(yè)非?；鸨?，因為VR的技術門檻比AR低一個數(shù)量級，VR更容易成功。
    從軟件角度來說，現(xiàn)階段視覺上的難點比較多：
    VR的核心技術是tracking（追蹤）和CG（計算機圖形）。三自由度的方向追蹤，六自由度的位置追蹤（見《追蹤設備的使用場景和覆蓋范圍有哪些局限？是否會影響VR可交互的空間的設計？》）


    前的虛擬現(xiàn)實技術的呈現(xiàn)，主要是體驗者依靠全封閉的頭戴型顯示器觀看電腦模擬產(chǎn)生的虛構世界的影像，并配有耳機、運動傳感器或其他設備等，為其提供視覺、聽覺、觸覺等方面的感官體驗，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的整套設備可以根據(jù)體驗者的反應做出反饋，使體驗者達到身臨其境的感覺。
    目前，虛擬現(xiàn)實技術大家來說還是充滿了神秘感，除了知道各高端品牌推出的頭戴顯示器外，恐怕對虛擬現(xiàn)實技術就再無太多的了解了。想必大家都會覺得虛擬現(xiàn)實技術是一門高新技術，但其實不然，早在1965年就有科學家在論文中提及了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，而第一個頭戴顯示器早在1966年就由MIT林肯實驗室研制成功了
    下面筆者就從虛擬現(xiàn)實相關技術、虛擬現(xiàn)實設備、虛擬現(xiàn)實的不足等三個方面，為大家層層揭開虛擬現(xiàn)實技術神秘的面紗。
    3D模型實現(xiàn)了現(xiàn)實的虛擬
    一、3D模型實現(xiàn)了現(xiàn)實的虛擬
    筆者認為從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供視、聽、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段，因此具有多感知性、存在感、交互性、自主性等重要特征。其實，虛擬現(xiàn)實技術并不是一項單一的技術，而是多種技術綜合后產(chǎn)生的，其核心的關鍵技術主要有動態(tài)環(huán)境建模技術、立體顯示和傳感器技術、系統(tǒng)開發(fā)工具應用技術、實時三維圖形生成技術、系統(tǒng)集成技術等五大項。
    一張圖帶你了解虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)
    ●動態(tài)環(huán)境建模技術
    動態(tài)環(huán)境建模技術是虛擬現(xiàn)實比較核心的技術，它的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應的虛擬環(huán)境模型。
    ●立體顯示和傳感器技術
    虛擬現(xiàn)實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術。現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實還遠遠不能滿足系統(tǒng)的需要，虛擬現(xiàn)實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍有待提高。同時，顯示效果對虛擬現(xiàn)實的真實感、沉浸感，都需要通過高的清晰度來實現(xiàn)。
    ●系統(tǒng)開發(fā)工具應用技術
    虛擬現(xiàn)實技術應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當?shù)膽脤ο罂梢源蠓鹊靥岣呱a(chǎn)效率、減輕勞動強度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。為了達到這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具。例如，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)平臺、分布式虛擬現(xiàn)實技術等。
    ●實時三維圖形生成技術
    目前，三維圖形技術已經(jīng)較為成熟，其關鍵是如何實現(xiàn)“實時”三維效果的生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15楨/秒，最好是高于30楨/秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術的研究內(nèi)容。
    ●系統(tǒng)集成技術
    集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術、數(shù)據(jù)管理模型、識別和合成技術等等。由于虛擬現(xiàn)實中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術也起著至關重要的作用。
    另外，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要由檢測模塊、反饋模塊、傳感器模塊、控制模塊、建模模塊構成。檢測模塊，檢測用戶的操作命令，并通過傳感器模塊作用于虛擬環(huán)境。反饋模塊，接受來自傳感器模塊信息，為用戶提供實時反饋。傳感器模塊，一方面接受來自用戶的操作命令，并將其作用于虛擬環(huán)境；另一方面將操作后產(chǎn)生的結果以各種反饋的形式提供給用戶?？刂颇K則是對傳感器進行控制，使其對用戶、虛擬環(huán)境和現(xiàn)實世界產(chǎn)生作用。建模模塊，獲取現(xiàn)實世界組成部分的三維表示，并由此構成對應的虛擬環(huán)境。北京模型網(wǎng)在五個模塊的協(xié)調(diào)作用下，最終夠建出3D模型，實現(xiàn)對現(xiàn)實的虛擬。
    它模糊的虛擬與現(xiàn)實界限
    二、它模糊的虛擬與現(xiàn)實界限
    虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)根據(jù)體驗者參與形式的不同大致可分為四種模式：桌面式、沉浸式、增強式和分布式。桌面式以普通顯示器或者立體現(xiàn)實器影像為呈遞窗口；沉浸式利用頭戴式顯示器顯示影像；增強式則是把真實環(huán)境和虛擬環(huán)境疊加在一起，現(xiàn)在已成為虛擬現(xiàn)實的分支，即增強現(xiàn)實；分布式則是將異地不同用戶聯(lián)結起來，共同觀看、操作同一虛擬世界中的內(nèi)容。同時，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)還可以配備位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和其他輔助設備、設施等，為體驗者提供更真實的沉浸感現(xiàn)實體驗。
    目前，*為受推崇的應該要算沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)了，下面筆者就以其為例，介紹一下已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)品化的虛擬現(xiàn)實設備。
    ●頭戴式顯示器
    谷歌、三星、索尼等公司都推出了自己的顯示頭戴產(chǎn)品，大部分已投放到市場中，以具有領航者身份的Oculus Rift顯示頭戴*具代表性，其擁有110°視角，全封閉視覺環(huán)境。在戴上它之后，使用者將看到另一個虛擬的世界，通過雙眼視差以及畫面變形，使用者會有很強的立體感與景深感，仿佛置身虛擬世界當中。此外設備中配有陀螺儀、加速計，用以追蹤頭部轉(zhuǎn)動，達到更加強烈的浸入感。
    三星Gear VR頭戴式顯示器
    ●數(shù)據(jù)手套
    數(shù)據(jù)手套也是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的重要組成，集成了傳感器技術和光纖技術等，可以實時獲取人手的動作姿態(tài)，感知手指關節(jié)的彎曲狀態(tài)，精確定位，產(chǎn)生力反饋，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中再現(xiàn)人手動作，已達到人機交互的目的。
    數(shù)據(jù)手套
    目前，虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)手套主要有5DT、Cyber Glove、DGTech等公司生產(chǎn)，根據(jù)使用者的需求，提供不同配置、精確度的版本選擇，價格在幾千元到幾萬元間不等。
    ●全方位跑步機
    虛擬現(xiàn)實跑步機，必然不同于一般的跑步機，它底部是一個平面光滑平臺，基本是由三根支架固定，中間的腰環(huán)來固定人體的位置，可能需要特殊的鞋子，可實現(xiàn)走、跑、坐、下蹲、跳躍、小幅度平移等動作。目前， Cyberith公司推出了Virtualizer，Virtuix公司推出了Omni等產(chǎn)品，國外的消費者們已經(jīng)可以購買到了。
    全方位跑步機
    以Virtuix Omni虛擬現(xiàn)實跑步機為例，其需要與Oculus Rift虛擬現(xiàn)實頭戴裝置或PC控制器來配合使用，無法獨立運行。在配備了專用的跑鞋、游戲槍之后，就可以用第一人稱的視角來進行FPS射擊游戲，可以模擬在游戲中的場景，根據(jù)自己的自由意志進行自然的移動，真正的做到“跑起來”的感覺。Virtuix Omni專用的跑步鞋可以通過與跑步機地盤上的傳感器同步數(shù)據(jù)，并且在佩戴Oculus Rift之類的虛擬現(xiàn)實設備之后，玩家轉(zhuǎn)頭、側身等動作都可以在游戲中同步，帶來絕對身臨其境的感受?？梢哉f整套系統(tǒng)*大程度的整合了視覺、聽覺、動作等因素，給人以極大的逼真感，徹底模糊了虛擬與現(xiàn)實的界限。
    虛擬現(xiàn)實難以突破的瓶頸
    三、虛擬現(xiàn)實難以突破的瓶頸
    ●無法完全解決的眩暈感——你可能會嘔吐
    目前，虛擬現(xiàn)實體驗上的*大問題就是眩暈感。體驗者在適應全新的感官環(huán)境時，可能會出現(xiàn)類似暈車的狀況。雖然一些研究人員表示在虛擬影像中添加一個鼻部圖像，可能會幫助體驗者更好地適應，但目前尚未得到虛擬現(xiàn)實設備及軟件廠商的支持。雖然一些高端設備在不同程度上解決了眩暈感的問題，但因體驗者自身身體狀況、適應能力的影響，還是無法完全避免眩暈感的產(chǎn)生，體驗者連續(xù)佩戴的時間可能無法超過30分鐘。
    無法完全解決的眩暈感
    ●“沉浸體驗”和“真實感”難兼得
    沉浸體驗常被作為衡量虛擬現(xiàn)實好壞的一個重要指標，然而在當前的技術條件下，沉浸體驗卻成了另一個衡量指標——畫面“真實感”（即清晰度）的“天敵”。
    想要畫面變得更真實，就需要高清晰度來支持，如果清晰度提高了，那么畫面就會離人眼更遠，從而降低沉浸體驗；反之亦然。之所以會如此，主要是因為屏幕分辨率的限制。我們可以理解為，離屏幕越近，顆粒感越強，而顆粒感，通過透鏡放大后進一步明顯，從而使得人眼獲取的實境比較模糊；如果分辨率沒有高到一定程度，就無法解決這個難題。
    沉浸體驗”和“真實感”難兼得
    如果要達到沉浸體驗和清晰度的均衡，至少需要4K的分辨率，但目前，市面上各家VR頭戴顯示器公司所生產(chǎn)的產(chǎn)品還未能到達這一分辨率，都還在探索如何在“沉浸體驗感”和“清晰度”間找到更好的“平衡點”，以求得在相對好的沉浸體驗下，不降低清晰度。不過，這個矛盾僅僅是VR硬件上所面臨諸多問題中的一個。
    ●屏幕刷新率也是一個難以突破的瓶頸
    120HZ的屏幕刷新率是保證VR畫面接近于現(xiàn)實的*低要求，當前手機屏幕的刷新率基本還停留在60HZ水平，PC顯示器可以滿足。同時，刷新率的提升，會對芯片的計算、功耗造成很大壓力， 這對設備的硬件提出了要求。
    手忙腳亂的使用者
    ●你也許覺得自己很酷，但別人認為很蠢
    也許你佩戴上虛擬現(xiàn)實顯示器會覺得自己很酷，但從旁觀者的角度來說，無疑會感覺你有些怪異和愚蠢。當你佩戴虛擬現(xiàn)實顯示器沉浸在虛擬世界里時，你的眼睛被完全蒙上了，看不到現(xiàn)實周圍的情況，自言自語或是大笑大叫，顯然會讓周圍的人感到你很滑稽。 另外，對于一些本來就分不清幻想和現(xiàn)實的病人來說，虛擬現(xiàn)實可能會對他們造成更嚴重的精神問題，加重他們的病情，甚至在嚴重的情況下，還有可能會出現(xiàn)妄想癥。
    虛擬現(xiàn)實是一個造夢的行業(yè)
    即便虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展慢于預期、也存在一些需要解決的問題，它仍是*有潛力的趨勢化技術。屏幕分辨率、刷新率，芯片計算能力、功耗以及元件上的瓶頸，直接限制了虛擬現(xiàn)實技術在手機端的發(fā)展。硬件和內(nèi)容的雙重掣肘，讓虛擬現(xiàn)實很大程度上還只停留在“概念”層面。而資本市場的過度繁榮，雖然帶來了一些利好，但并未解決產(chǎn)業(yè)的實質(zhì)問題。
    虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展還不夠成熟
    虛擬現(xiàn)實是一個造夢的行業(yè)，立體化的拓展了我們的感知空間，也許現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實技術的未來還不能夠清晰的被勾勒出來，相關產(chǎn)品的普及也還需要很長一段時間?，F(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實頭戴顯示的畫面還不夠清晰，仍然可以看到像素顆粒，你也無法去觸摸你看到的東西，但隨著時間的推移，這一切都會有所改觀。雖然目前虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展還不夠成熟，存在著許多爭議，但不可否認的是，虛擬現(xiàn)實技術將會成為一種重要的新媒介、新的平臺，無論是對于游戲還是社交，亦或是其他更多領域。
    你會發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的一切都值得去等待
    相信無論虛擬現(xiàn)實技術如何發(fā)展，產(chǎn)業(yè)怎樣演進，還有很多的未知等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，無論是創(chuàng)新的引領者、推廣者還是接受者，都應保持一顆開放、寬容的心來迎接更多的可能。相信，你會發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的一切都值得去等待.