VR與AR技術的發展與前景

2016-12-31 00:00:00董璐茜

科技創新與應用 2016年26期

摘要：VR與AR技術的發展，使人們實現了現實世界與虛擬世界相互融合與互動的夢想。虛擬現實技術與增強現實技術的產生，對傳統的媒體方式進行了天翻地覆的改變。文章的主旨是為了解VR與AR技術并且對其發展歷程進行分析，從而展開對其未來發展前景的推測。

關鍵詞：VR與AR技術；虛擬現實；增強現實；發展過程；前景展望

近年來，隨著VR與AR技術的研發與進步，使大家對虛擬現實技術的接受程度越來越高。自2014年初Facebook公司以20億美元收購Oculus（虛擬現實頭帶設備設計與研發公司）之后，大家的目光都聚焦到這一領域，許多大企業紛紛加入到硬件開發及軟件制作的行列里。不到兩年的時間里，從全景視頻制作、虛擬現實游戲設計、球型攝像機的研發、可穿戴式交互產品設計等基于虛擬現實技術而生的產業鏈穩步發展。

1 什么是VR與AR？

VR是英文Virtual Reality的簡稱，即虛擬現實技術。20世紀60年代由著名計算機科學家、圖靈獎獲得者伊萬·薩瑟蘭（Ivan Sutherland）美國提出。VR是一種計算機生成的可交互的三維動態效果，將它作為虛擬的背景或環境，與參與者的實體行為產生實時互動的技術。參與者通過VR設備，讓虛擬世界的視角與真實的搖擺、旋轉、行走等行為動作完全匹配。簡單的說，就是讓參與者帶上虛擬現實頭戴設備（頭部跟蹤器）、仿真交互手套（手部跟蹤器）、眼睛視向跟蹤器等硬件設備，通過實時性運動追蹤，同時在虛擬場景中產生互動的行為，從而達到沉浸式仿真效果。VR一般使用不透光的顯示設備，用戶不能看到外部世界，完全沉浸于虛擬世界中。

AR是英文Augmented Reality的簡稱，即增強現實技術。這種技術是1990年提出的，其目的為了將真實的信息與虛擬世界的信息同時顯示出來。這兩種信息相互補充、疊加，在顯示器里把虛擬世界堆疊在現實世界中，并進行實時地計算攝影機影像的位置及角度，使虛擬影像與真實世界產生完全匹配并且實時互動。AR一般采用透明的設備或者通過帶有攝像頭的顯示屏。通過這些設備，用戶可以看到虛擬信息和圖像加載到現實世界的景象。

2 VR與AR技術的研究與發展

1961年，美國Philco公司發明了頭戴式顯示系統。此系統的原理，是利用了磁鐵的磁效應。相機和測試者分別設置于兩個不同的房間，通過測試者頭部轉動，來調整與磁鐵相連接的相機的位置和角度，目的是觀測另一個房間的景象。這也是歷史上第一個實現遠程監控的實驗。

1968年，第一臺虛擬現實的原型機問世，這臺名為“達摩克利斯之劍”的頭戴式顯示器的發明者是哈弗大學電氣工程副教授伊萬·薩瑟蘭——當代著名計算機科學家、圖靈獎獲得者。整套系統能夠將二維線圖轉換為三維效果的圖像，投射在用戶頭頂的天花板上，并通過手動操作控制連接桿和頭戴設備來獲得虛擬影像。

之后，隨著虛擬現實技術的研發與進步，逐步提高了頭戴式顯示系統交互方面的嘗試和改進。最原始的頭戴式顯示系統，用全景的方式觀測觀看影片或者顯示游戲，卻無法實現交互功能。這個顯示器的顯示角度與人眼的視角相似。人眼的視角極限大約為垂直方向150度，水平方向230度，如果屏幕大小接近視角范圍，就會給人一種身臨其境的感覺。

南加州大學的工程師帕爾默·拉奇自行設計、開發了幾個頭戴式設備的原型機。后成立了Oculus VR公司。2012年，Oculus發起了關于 Rift的眾籌活動，最終以眾籌目標974%比例獲得243萬美元資金。這個資金讓Oculus Rift從一個原型升級為投入量產的商業產品。

2014年3月，Facebook以20億美元收購Oculus VR并且建立高水平的軟硬件研發團隊，為用戶帶來更高水準的虛擬現實體驗。

隨后，各大公司都對虛擬現實設備進行投資，其中有谷歌、索尼、HTC、三星等。

增強現實與虛擬現實技術的發展，離不開人們對于某些特定領域的特殊要求。比如軍隊的模擬作戰訓練、航天器模擬訓練等等，都對技術研發起到了推動性的作用。1961年，美國空軍路易斯·羅森伯格在阿姆斯特朗實驗室中，開發出對機器的遠程操作系統Virtual Fixtures[1]。隨后，研究方向轉至增強現實，即如何以虛擬圖像疊加至用戶的真實世界畫面中。

1998年，世界上第一次成功的將增強現實技術應用于電視節目的實時直播。美國電視臺大膽的運用了1st Ten系統將橄欖球比賽中可進攻區域用黃色線條標注在屏幕上，實現了電視屏幕上的可視化。

1999年，由奈良先端科學技術學院的加藤弘教授開發了增強現實開發工具ARToolKit——利用C++語言讓編程人員快速編寫增強現實應用程序庫。開發增強現實程序的難點在于如何將實際發生中的運動軌跡與虛擬圖像精確對齊，并且將虛擬影像實時的覆蓋到顯示窗口。利用該系統所提供的快速和準確的標記跟蹤功能，實現了消費級別增強現實的可實踐性。

2005年，開發者通過將ARToolKit與軟件開發工具包（SDK）相結合，利用手機攝像頭視頻跟蹤功能，實現了實時計算攝像頭與真實環境中特定標志之間的相對方位。這次實踐被看作是增強現實的一場技術革命，標志著增強現實技術從試驗階段過渡到商業實踐中去。

2013年4月，谷歌于發布了谷歌眼鏡。這種AR設備將信息直接疊加到眼鏡上。

2015年，微軟開發了增強現實眼鏡HoloLens。這個設備是利用了全系技術，使眼鏡具備重疊虛擬影像于真實世界的功能。虛擬的影像只有佩戴者能夠看見，眼鏡會自動根據佩戴者移動的位置以及視線運動的方向調整三維虛擬影像的位置及角度，再將實時追蹤的影像通傳導進眼鏡里。設備還可以通過動作捕捉實現佩戴者與虛擬物體的互動。

增強現實技術在各個領域中都有很多發展和應用。比如：在軍事上采用了AR技術，將相關數據及導航信息疊加到飛行頭盔中；在醫療上，通過移動終端，將CT掃描結果疊加到人體不同部位，方便醫生手術中隨時觀測患者病情；在幼教方面，利用增強現實技術使三維模型與教課書籍等相結合，利用移動終端，讓孩子實現沉浸式教學，提高教學質量；在娛樂方面，很多公司開發了增強現實游戲，讓玩家在現實環境中與虛擬的人物互動。眾多實例說明：增強現實技術在工業、商業、教育等研究方面都存在著極大的潛能。

3 VR與AR的前景展望

一組來自美國知名第三方調研機構Manatt Digital Media和Digi-Capital投資銀行于2015年年中發布的數據中指出，根據目前市場的預測，全球虛擬現實及增強現實市場規模將于2020年達到1500億美元。將會有更多的相關硬件及程序得以開發。目前所面臨的技術難點在進一步研發中，應該可以得到優化。

在硬件方面，有以下幾個有待解決的問題：

（1）設備的重量以及佩戴舒適度不佳

Oculus Rift DK2 的凈重為453克，如果加上數據線、電源接線等其他的輔助設備，重量可觀。

（2）設備追蹤系統的精確度不高

虛擬設備目前還需要加入其他的輔助設備完成精確度的提高。Oculus Rift DK2 就在面板上加裝了紅外標記點，配合紅外攝像頭才能實現“位置追蹤功能”。

（3）物理運動產生的眩暈感

人眼通過兩套系統來感知深度信息，一是兩眼視差，二是不同距離下人眼晶狀體的變形程度。視覺所感受到的運動信息與身體所感受到的運動信息的差異亦是眩暈感的重要原因。

（4）設備不能實現無線操作

目前VR頭戴式顯示器都是以有線方式接主機，經常會出現拉扯、動作受限等缺點。無線傳輸、電池技術還需改進。

（5）設備的顯示精確度不高

Oculus Rift DK2，單目分辨率為960×1080 像素，雙眼合起來是1920高清標準。4K的清晰度在短時間內無法達到。

4 結束語