虛擬現實技術：走向融合的旅程

文/張燕翔

虛擬現實技術：走向融合的旅程

文/張燕翔

自從計算機媒體技術誕生以來，多種感覺媒體也在不斷走向融合，虛擬現實技術的發展尤其體現了這種融合。

從雙目視覺到多種媒體形態的融合

在攝影術誕生之初，立體照相機和立體觀片器就也幾乎同時誕生了，這樣的技術允許人為的手段模擬人類左右眼成像系統融合所能產生的獨特的立體視覺效果。

早在1833 年，英國科學家惠斯登(Charles Wheatstone)就發現了雙眼視差形成立體視覺的原理，并于1838年親自制作立體鏡證實了這一學說，這是人類第一次對立體視覺有一個較為科學的認識。英國物理學家塔爾伯特( F.1.Talbot)根據惠斯登的立體成像原理，于1841年設計出了第一臺立體相機，此后世界各國陸續對其仿制并改進。這種立體相機會拍攝出兩個符合視差的并列圖對圖像，需要用專門的立體鏡才能觀看到立體效果。

這項技術后來在多個領域得到充分的發展和運用，在影視方面成為立體影視、4D、5D,甚至7D電影體驗中最基礎的內容，而對于虛擬現實環境來說，模擬左右眼視差所產生的立體化虛擬環境則能夠極大提升用戶的真實感體驗，而這也成為各種虛擬現實眼鏡和虛擬現實頭盔的技術基礎。在這個融合的過程中，音視頻、圖文、動畫等媒體形態乃至更多的用戶體驗也在電影或互動式虛擬空間里融為一體。

如今立體影像無論在影視還是游戲領域都有了長足的發展，尤其自從阿凡達以來，立體播放設備門檻一再降低，易用性和可用性越來越高的同時，畫質和分辨率不斷提升。

真實視頻影像與虛擬環境的融合

立體視覺技術雖然實現了左右眼效果的立體化融合，但其仍然是一種純粹的視覺模擬。而物理世界中太多豐富多彩的信息形態，增強現實技術的發展，使得虛擬世界可以跟真實世界進行融合。

增強現實技術也被稱為混合現實技術，它可以將電腦世界里的虛擬信息或三維模型通過三維注冊疊加到現實世界的視頻畫面之上，使得虛擬物體仿佛真的存在與現實世界中一樣，實現一種虛實結合的效果，并且可以進行實時的互動。這種技術以影像合成的方式將物理世界和虛擬世界融為一體，使得物理世界中的人可以操控虛擬的物體，從而帶給用戶高度真實感的、虛實融合的互動體驗，并且可以強化用戶的認知體驗效果。

張燕翔等開發的增強現實科普作品

人的動作在虛擬世界中的融入

人類通過運動存在于物理世界之中并且與之發生交互，同時受人類自身能力以及物理世界的約束，我們無法實現許多夢寐以求的運動方式，如飛翔等。而在虛擬世界中，影像是我們了解虛擬世界的重要途徑，這樣一來，通過特定的設備實現對某些運動方式的體驗，同時借助與之互動的虛擬影像，是我們感覺自己正在某種虛擬世界之中進行中夢幻般的運動，就成為一種將物理世界與虛擬世界融合的特別的方式。

Kinect傳感器的成功開發可以將人的動作捕獲及輸入計算機，以實現更為復雜的信息交換，從而使得用戶可以通過手勢或身體動作來操控及與計算機內容進行互動，為用戶體驗帶來全新的可能性，進一步將人與媒體融合在一起。

而2013年最新出現的一種叫做LeapMotion的技術更是徹底地將鼠標和鍵盤拋開，用戶可以直接用手指高精度地操控計算機里的虛擬內容，使得人與計算機媒體的關系達到一種全新的高度。

傳統的虛擬實境主要是給用戶提供視覺和觸覺上的虛擬體驗，但是卻無法自由自在地運動。VirtuSphere技術的出現解決了這種需求，在VirtuSphere里，戴上虛擬現實眼鏡的用戶可以在任意方向行走、跑、跳、爬，并且球面自身的反向運動使得用戶可以一直運動下去，從而獲得跑了非常遙遠的距離的感覺——但他實際上還是呆在老地方。

像鳥一樣飛，這是上千年以來無數人的夢想，雖然飛機的發明使得人類實現了在藍天翱翔的夢，但是仍然沒有讓人體驗到像鳥一樣飛翔的感覺，Ars Electronica 2003電子藝術節上展現的飛翔機器使得人們穿上數據衣服之后，可以感受一下自由飛翔的快感。

物理信息與虛擬世界的融合

現今的計算機技術借助各種傳感器技術的幫助已經可以為用戶帶來更豐富的感知體驗，對于存在于物理世界中的用戶而言，物理世界中的各種現實事物帶給用戶的感知體驗是計算機虛擬世界帶給用戶的體驗所不能取代的，信息物理融合技術的發展使得用戶的真實世界可以跟原本只存在于計算機內部的虛擬世界無縫地融合在一起，實現了一種新穎的人機物理交互仿真，打破了計算機界面的局限性，但是在一定程度上仍然依賴于計算機界面的存在。而借助各類傳感器技術將物理世界的信息融入互動媒體技術，則將能夠為用戶的感知系統帶來由內而外、全方位深層次的立體化體驗。這無疑將為虛擬現實媒體結構功能的創新發展創造出前所未有的形態空間。

MIT 媒體實驗室可接觸媒體團隊的Jinha Lee等制開發的ZeroN，實現了基于計算機控制的用戶與真實物品的交互。其核心是一個受計算機系統控制的電磁場。這個電磁場可以將金屬小球懸浮其中，并且用戶能夠通過操控這個金屬小球與虛擬環境里的數字內容進行互動，如模擬行星環繞恒星的運動，或者模擬3D環境下攝像機的位置，用戶可以通過親手移動小球來改變虛擬攝像機以實時調整攝像機視圖的效果。

人際互動在虛擬空間里的延伸

隨著計算機三維圖形技術的發展，物理世界中的人在三維虛擬空間中的協同也成為可能性。在三維虛擬空間里的協同將有更多的自由度，參與者可以使用三維模型來構建自己的世界，而協同的方式也比二維畫面繪制中的協同機制要靈活得多，比如有幾個參與者協同完成一個虛擬建筑，那么每個參與者都有可能添加或者更換其中的部件，或者修改這些部件的局部造型，材料外觀等等。

在Second Life中，每個人都可以定制一個自己的虛擬形象，并且在這個環境中所遇到的其他虛擬形象也都意味著一個坐在電腦跟前的真實的人，而Second Life中已經繁衍出諸多社會經濟活動∶本田發售Second Life版本的轎車，IBM在Second Life里面召開跨國會議，而這個世界里的虛擬貨幣竟然可以跟美元實時兌換。

而MIT 媒體實驗室可接觸媒體團隊的Shunichi Kasahara、Valentin Heun、Austin S. Lee、Hiroshi Ishii等人開發創作的《Second Surface》則是一個基于增強現實技術的多用戶空間協同系統，作品將現實環境中特定物體的表面作為不同用戶進行互動的參照物，采用基于iPad的app對這些參照物進行識別，并且不同用戶可以在iPad上進行任意的涂鴉手繪然后借助服務器將涂鴉的結果虛擬地“存放”疊加到當前參照物所在的空間，當用戶使用iPad攝像頭對著相應參照物的時候，增強現實app會連接到服務器上，其它用戶在此處繪制的虛擬涂鴉將通過增強現實融合在現實空間畫面的相應位置，于是多個不同用戶的涂鴉將可以在相同的現實空間中以虛擬的方式進行融合。

（作者單位為中國科學技術大學科技傳播系）