虛擬與增強現實技術

雷卓石

摘 要：虛擬與混合現實技術在當今是應用在各種領域中的技術并且將會被應用在更多的領域。這篇文章將帶領我們探索它的起源以及進化過程。我們將從一些重要技術的發展開始， 例如視線追蹤以及手勢識別以及它們在現實中的應用，并將逐一介紹它們的發展以及現狀。我們同時也將介紹一個類似的技術——增強現實。我們同時也將介紹現在市場上流行的商品。最后，我們還將討論虛擬現實技術發展目前遇到的瓶頸、可能的發展方向和未來的應用。

關鍵詞：虛擬 增強 技術

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（c）-0150-02

虛擬現實技術（VR）和增強現實技術（AR）最近幾年變得越來越熱門。早些時候其中一個增強現實的熱門應用——AR地圖，使用戶能夠實時看到疊加在地圖上的有效信息。虛擬現實在過去幾十年里則是在娛樂與游戲行業得到了極大的發展（例如索尼的PlayStation）。增強現實技術也應用到了游戲行業，例如，在2016最熱門的游戲之一Pokemon GO。在最近的科技產品谷歌眼鏡中，我們也能見到AR的身影。這篇文章將同時對增強現實技術、虛擬現實技術以及混合現實技術的歷史與發展進行介紹與對關鍵技術的說明。

1 運用在AR、VR和MR上的核心技術

一些涉及AR、VR和MR應用的重要技術在過去40～50年間高速發展。這些技術主要來自計算機視覺的核心領域。 視線跟蹤是其中一種的技術。它可以幫助電腦跟蹤用戶關注的位置。另一個重要的技術是手勢識別，這有助于用戶創造更多的操作組合并使用戶與電腦交互更容易、更直觀。

2 視線追蹤

視線跟蹤是一種使用攝像頭跟蹤用戶目光的技術，反映了他們的注意力和需求。這個技術的基礎是找到瞳孔凝視的位置。在介紹一些技術細節之前，我們將研究一下兩個關鍵術語。第一個叫作注視線（LoG），它是光線通過瞳孔中心的那條水平線。另一個被命名為視線（LoS），這是從視網膜中心凹陷處到瞳孔中心的線。在視線跟蹤期間，我們需要注重視線而不是注視線因為是視線決定了一個人的視覺注意力，因為視網膜中心凹陷處集中了大量感光細胞，負責感知事物的細節。現有系統有一個問題它們需要復雜和繁重的校準。

對于因眼睛的測量變化而言并不完美，因為不同人的眼球結構差異以及視網膜中心凹陷處定位很困難。此外，有些公司使用侵入式設備來實現眼睛注視軌跡的目標的高精度，且需要限制頭部運動，使用戶感到不舒服。為了解決這個問題，一個名叫FreeGaze的新技術是由工程師用來實現遠程視線跟蹤。解決了現有技術的問題，FreeGaze每次校對只需要兩個點，而且一旦對單一用戶校對完成，之后不再需要校準，對日常使用非常方便。

自由注視總共有5個步驟：（1）首先我們用紅外攝像頭來捕捉眼球圖像。（2）然后生成一個小方形為了降噪并且方便處理。這個圖像會被分成若干個小圖像，然后對每個像素點進行計算生成不同區域。（3）第三布是偵測瞳孔位置。相鄰的像素點將被一一對比，使瞳孔區域與眼球其他區域能被區分開，減少如眼鏡架等外物的干擾。（4）重復執行步驟二與步驟三直到瞳孔被完整偵測出來，或系統判定該區域沒有瞳孔。接著對瞳孔邊緣進行精細化處理，消除由睫毛、眼瞼等引起的可能的噪音。（5）最后一步叫Purkinje圖像檢測，用于檢索瞳孔中心。檢測到瞳孔中心之后，視線追蹤就算完成了。

3 混合現實

3.1 增強現實

增強現實是一種允許用戶在現實中與虛擬世界互動的技術。通過傳感器將氣味、聲音等數據轉換為數字信號，再通過計算機處理并通過可穿戴設備如Google Glass疊加到現實世界中，使用戶獲得更多信息。例如，Google Earth可以讓您瀏覽地球每個角落并提供有用的信息，如城市地標和城市的歷史。增強現實不僅可以執行現實世界的信息，還可以在用戶面前添加虛擬信息。虛擬現實和增強現實的區別是，虛擬現實企圖將虛擬世界轉變為現實；相反，增強現實則是企圖把現實變成虛擬世界。增強現實需要一些基本成分來實現，如輸入設備（通常是攝像頭和麥克風）、處理器和顯示屏。其中一個著名的增強現實應用是HUD，被稱為平視顯示器。它的名字來自在現代飛機上使用的平視顯示器飛行員側重于前視，防止他們因為頻繁觀察儀器臺造成的頻繁頭部運動引起的頭暈。通過在穿戴式設備中應用HUD技術，它可以為用戶投影所有用戶需要的信息，使用戶的生活更加便利。例如，在汽車上應用HUD，可以顯示行駛方向，即將到來的景點和前方的路況。增強現實可以在很多方面應用。

3.2 虛擬增強

與增強現實不同，增強虛擬可以提供進一步沉浸式用戶體驗。用戶體驗虛擬世界時，一些現實世界的信息將會輸入，使你感覺你正處于“現實世界”，4維電影可以提供一個虛擬的世界，但是人物和氣味的模擬以及觸感總是為觀眾創造沉浸式體驗。

4 虛擬與增強現實

現在在市場上有很多虛擬和混合現實產品。接下來將會介紹它們中的一部分。

（1）Hololens。作為微軟第一臺無線全息計算機設備，Hololens提供給用戶全新的體驗。它將3D內容投射到現實世界中并允許用戶使用視線、手勢甚至語音與這些3D內容交互。對于每個用戶，Hololens可以提供一個允許讓您設計一個與現實世界完全不同的數字世界并與您的數字世界互動。您還可以通過使用Skype與您的朋友分享合作將您的成果可視化。

（2）PlayStation VR。PlayStation VR是一款虛擬現實頭戴設備，專為PlayStation4家庭視頻游戲級而設計。它可以由DualShock 4控制器或PlayStation Move控制器控制。不像其他頭戴設備，PlayStation VR只需要一個PS4控制臺為平臺和一個攝像頭用于定位，所以PlayStation VR的價格是實惠的。另外，大多數VR設備使用兩個攝像頭跟蹤，而PlayStation只使用一個攝像頭就可以提供非常高的準確性。然而，使用一個攝像頭會導致一個問題，如果你移動的過遠就會收到提醒。

5 結語

虛擬現實技術從Sensorama的問世再到HTC Vive或PSVR的出現進化了許多。諸如屏幕分辨率提高、凝視跟蹤技術、手勢識別等創新技術已經導致人機交互更加無縫。這使得產品更直觀易用。但是，還有一些問題仍然需要進行評估和解決。電線和電源的問題仍然需要大量的工作。也許在未來，我們可以看到VR和混合現實設備的兩個不同的終極版本。一個是完全無線穿戴式設備，具有足夠的電源長時間工作。它的尺寸可以很小，足以附加到我們的瞳孔上。另一種是完全身臨其境的VR設備，可以消除物理限制，為用戶提供完整的數字世界。那就是我希望VR技術向前邁進的方向。

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