虛擬現實和增強現實技術簡介

隨著用戶對科技產品交互性和真實性的需求日益增強，虛擬現實和增強現實這兩項技術逐步產生并快速發展，在科技界引起了巨大的反響，虛擬現實和增強現實這兩項技術在將來可能會滲透到我們生活的每個方面。本文對虛擬現實和增強現實這兩項技術的發展歷程及其在現實中的應用和現階段的發展狀況進行研究，對未來發展的趨勢進行預測，最后對這兩項技術未來對人們生活的影響做出分析。

虛擬現實和增強現實的技術概述和產品

虛擬現實技術的概述

虛擬現實技術是一種通過電腦把多元的信息進行融合對實際環境進行模擬生成的一個三維的虛擬環境，讓使用者在現實環境和虛擬環境之間進行交互式的的模擬體驗。虛擬現實技術是一種有電腦生成的高級模擬環境，可以讓使用者有身臨其境的感覺，隨時無限制的觀察模擬三維空間中的環境。虛擬現實技術將電腦圖形、電腦仿真、人工智能、圖形處理和網絡并列處理等多個先進的計算機技術結合到了一起。

虛擬現實技術的應用及產品

虛擬現實技術現在已經應用到了教育培訓、游戲、影視、醫療、軍事和仿真模擬等多個方面。現在虛擬現實技術普及最廣范的領域是游戲和影視。很多廠家推出了虛擬現實的硬件產品，例如索尼Playstation VR，Oculus Rift和HTC Vive。游戲也有像古墓麗影崛起和生化危機7這樣的優秀作品。目前VR產品在大型游戲的應用方面不盡如人意，更多的類似于一種觀影體驗，未來VR設備的更強的適應性是發展的重心。

增強現實技術的概述

增強現實技術是通過計算圖像的位置及角度并加上圖像的分析實現虛擬場景和現實環境的互動。增強現實技術可以通過模擬仿真后再疊加，把真實世界和虛擬環境的信息進行疊加，互補從而讓使用者擁有超現實的感官體驗。增強現實一種定義是由保羅·米爾格拉姆（Paul Milgram）和岸野文郎（Fumio Kishino）提出的現實-虛擬系統（Milgrams Reality-Virtuality Continuum）。他們將真實環境和虛擬環境分別作為連續系統的兩端，位于它們中間的被稱為“混合現實（Mixed reality）”。其中靠近真實環境的是增強現實（Augmented Reality），靠近虛擬環境的則是擴增虛境（Augmented Virtuality）。

增強現實技術的應用及產品

增強現實技術應用在游戲、娛樂、電視轉播旅游展覽和文物保護等很多領域。增強現實技術主要還是運用在娛樂游戲方面，現在有很多優秀的增強現實硬件產品，例如Google眼鏡和Microsoft HoloLens，并且任天堂也在上市多年的3DS掌機上加入對了增強現實的支持。在游戲方面最成功的兩個案例是PSP游戲隱形妖怪（Invizimals）和在歐美國家十分火爆的Pokémon GO，這類游戲都是在現實中以手機或其他設備作為媒介，達到虛擬和現實初步互動。

虛擬現實和增強現實的發展歷程

虛擬現實的發展歷程

人造現實（Artificial Reality）這個詞語可以說是最早和虛擬現實有關的術語了，這個詞語的創造者邁倫·克魯格（Myron W. Krueger）可以說是虛擬現實領域的先驅，但是現在的虛擬現實則更多是指代杰倫·拉尼爾（Jaron Lanier）和他的公司VPL Research在1987年創造并推廣的產品，VPL Research開發了第一個被廣泛使用的頭戴式可視設備EyePhone。這個頭戴可視化機器Evephone可以追溯到1962年，莫頓·海利希（Morton Heilig）創建一個原型機被稱為Sensorama，隨著Sensorama的發展，到了1968年就誕生了第一個虛擬現實及擴增實境頭戴式顯示器系統Sutherland，它是由計算機圖形學之父和增強現實之父伊凡·蘇澤蘭（Ivan Sutherland）與學生Bob Sproull一手開發的產品，但是因為自身重量以及體積的問題，這個設備的很大一部分只能通過懸掛來減輕重量，不能夠完全的被使用者來穿戴。進入20世紀初期，日本的游戲廠商開始將目光投入到了虛擬現實技術之中，當年世嘉發行SEGA VR，它使用慣性傳感器，液晶顯示屏幕和立體聲耳機，讓系統可以隨時追蹤并反應用戶頭部運動。同年，第一大多人虛擬現實網絡娛樂系統Virtuality推出。世嘉在推出第一款虛擬現實產品后在1994年發布了SEGA VR-1運動模擬器街機，這款街機能夠跟蹤頭部運動并生成立體影像。看到世嘉的作品后，另一家日本老牌游戲廠商任天堂1995年發布Virtual Boy。90年代很多廠家關注到了虛擬現實的未來，但受于當時的圖形處理技術不夠優秀，虛擬現實并沒有很快的推廣。虛擬現實真正迅猛發展并快速推廣是在近十年間。最近幾年老牌科技廠商索尼、HTC和三星都推出了虛擬現實設備，依附于Facebook的新興企業Oculus也推出了優秀的產品，在虛擬現實設備發展的同時，影視制造商和游戲制造商也把住握了機會，開發了大量的匹配的游戲和影視作品。

增強現實發展歷程

實際上達摩克里斯之劍（The Sword of Damocles）既是第一款虛擬現實設備也是第一款增強現實設備，還被認為是HMD頭戴顯示設備的雛形。但直到1990年增強現實這一術語才由波音公司的研究員Tom Caudell提出。不過這時的增強現實技術依舊沒有普及，真正使增強現實技術受到大眾廣泛認識的是由加藤 博一（ Kato Hirokazu）主導開發的AR Toolkit。在2000年，Bruce Thomas等人發布了游戲Quake的增強現實擴展AR-Quake。近年來例如Google眼鏡和Microsoft HoloLens等增強現實設備誕生，讓我們離它又近了一步，但受限于專業的增強現實設備價格昂貴，真正能在大多數用戶中普及該技術的平臺還是移動設備。

虛擬現實和增強現實的發展現狀和發展趨勢

虛擬現實的發展現狀

虛擬現實已經被國家科委、國防科工委列為重點攻關項目。我國的高校和研究機構也有很多優秀的研究成果，例如清華大學國家光盤工程研究中心用Quick Time技術制作的“布達拉宮”，浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發的桌面型虛擬建筑實時漫游系統。在科研領域健康又迅速發展的同時，在民用虛擬現實領域是另一種景象。虛擬現實的發展空間和前景使眾多的科技巨頭投入到其中，投入重金研發，谷歌通過新項目頭戴式計算設備Protect Aura，騰訊也放出了VR一體機TOS系統的信息。古墓麗影，生化危機等老牌游戲也推出了VR版本。看似潛力無窮的虛擬現實也面臨著許多問題。迅猛的發展不僅吸引了眾多大廠商還吸引著很多新興企業踏入其中。在眾多廠商巨大的投入之后，現在的虛擬現實市場并沒有出現火爆的場面。國內一些標榜虛擬現實的廠商推出的內容質量普遍很低，使很多本來就了解的消費者形成了對虛擬現實的負面認識。現在所有虛擬現實設備都無法避免的問題是使用者長時間使用會有眩暈的感覺，解決這個問題也是虛擬現實普及的重要因素。虛擬現實的市場總的來說還是在健康蓬勃的發展，未來有很大的發展潛力。

虛擬現實的發展趨勢

虛擬現實還需要不斷提升性能來滿足航空航天、軍事訓練、模擬訓練等尖端領域的需要，動態環境建模技術和實時三維圖形生成和顯示技術是性能提升的關鍵因素，更強的圖像處理性能使畫面的顆粒感減弱，讓使用者不會感到體驗過于虛擬。虛擬現實最大的潛在客戶是PC端的游戲硬核玩家，但受限于虛擬現實需要專業的設備支持，未來的普及速度會遜于增強現實。

增強現實的發展現狀

雖然我國的增強現實技術發展的較晚，但是我國政府和科研機構都十分重視，不斷加快最新技術的研究。我國的增強現實技術取得了不錯的研究成果。浙江大學提出了以場景管理為核心的增強現實軟件框架ARSGF，華中科技大學設計了基于視覺的增強現實跟蹤注冊方法和基于實時定標策咯的虛實配準方法。在2012年央視春晚就應用了Orad的增強現實技術。現在國外的開發者已經可以使用移動端的開發套件，并且在計算機視覺技術和云服務上進行支持，同時國外的移動端的增強現實，社交媒體，多屏互動和位置導航資源也在日益豐富。我國現在的增強現實市場還處于萌芽狀態，多數的產品都停留在概念階段。

增強現實的發展趨勢

增強現實技術未來發展的主陣地會是移動端，利用智能手機和平板電腦本身就可以體驗增強現實的內容，不需要單獨的設備支持，大大降低了使用的門檻，像微軟、蘋果和谷歌這類的商業巨頭也把目光瞄向了增強現實，WWDC17上蘋果發布了全新的增強現實組件ARKit，這套組件未來會適用于iPhone和iPad平臺上。移動端的普及速度遠快于PC端，未來增強現實相比于虛擬現實會更快更大范圍的在普通用戶間傳播。

虛擬現實和增強現實未來的發展重心

虛擬現實未來的發展重心

多數的商用虛擬現實設備未來會向桌面級虛擬現實發展，桌面級虛擬現實的主要用途是游戲娛樂和教育培訓，能夠吸引很多PC端的玩家。人性化更好，交互感更強也是虛擬現實的發展方向，解決長時間使用有眩暈感的現象，交互感的增強能讓使用者真正體驗到“現實”的感覺，設備使用的舒適性有利于減輕使用者疲勞感，讓體驗的過程更加自然。開發者應該研發出更多高質量的虛擬現實內容來充實虛擬現實的內在價值。在解決了這些問題后，虛擬現實技術將會成為未來的主流設備。

增強現實未來的發展重心

增強現實還需要提升很多方面來改變用戶的整體體驗，更強的信息識別能力，信息識別的速度和效果會直接影響用戶最基本的體驗，很多基礎設備也是增強現實發展的基礎，比如網絡通信、傳感器、交互設備。相比于虛擬現實增強虛擬環境的真實性，增強現實更需要注重與用戶的交互性。增強現實更低的使用成本會使增強現實未來的普及速度和市場擴張快于虛擬現實，但現階段還需要開發者開發出真正有時代意義的內容才會吸引用戶的目光。

結論

虛擬現實增強現實是許多科學技術交叉和融合的成果，擁有巨大的發展潛力，隨著虛擬現實和增強現實的產品實力逐漸的增強，機器視覺領域和建模領域的長足進步，人機交互將變得更加容易，屆時在這些技術的支持下，不論是虛擬現實還是增強現實都會逐步走入平常人的生活之中，逐漸交互產業的領軍者，伴隨著互聯網的快速發展，在不久的將來兩者會成為主流的技術并被更多的人所接受，應用到更多的行業。虛擬現實和增強現實這兩項走在前沿的技術注定會影響著我們未來的生活和發展。

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（作者簡介：朱潤榿，濰坊圣源高級中學。）