VR核心技术与关键技术AR的发展现状-周福礼博士

2021-04-16

1 VR技术的概念、特征

1.1 VR概念

VR的全称是虚拟现实技术,被称为21世纪计算机领域的关键技术之一,是一种建立在图像数字处理、计算机图形、传感器技术,计算机仿真等多种技术的综合信息技术[1]。通过该技术可以构建虚拟环境,模拟未知或现实不存在的事物,通过触觉、视觉,听觉等感官,为使用者提供身临其境的感受[2]。

1.2 VR技术的特征

VR技术通过综合模拟用户多种感官体验,让使用者置身于三维动态虚拟环境[3]。其技术所具有的交互性、沉浸性、构想性等特点为使用者提供了真实的感受体验。

(一)沉浸感

即用户沉浸在所构建的虚拟环境中,VR技术利用红外激光、移动设备、体感等多种设备和技术来监测使用者的动作,再通过切换虚拟影像的播放让使用者实时的体验到虚拟环境,使得虚拟影像的更加逼真。

(二)交互感

交互,意为彼此之间的交流和互动,即为使用者在构建的虚拟环境中对环境中的物体可以进行操作并且能够及时地得到反馈。

(三)构想性

因为VR技术不仅可以模拟现实中存在的环境,也可以模拟未知或者现实不存在的事物,VR技术构建出的情景可以激发使用者无尽的想象力,因此VR技术拥有很强的构想性。

2 VR核心技术与关键技术AR

2.1 VR核心技术

(一)三维图形的实时生成技术

相对而言实时三维图形的生成不是很难,只要建立准确的模型并有足够的时间,就可以生成各种光照条件下的不同物体的图像,但是比较困难的是如何做到“实时”的三维效果[4]。

(二)立体显示和传感技术

使用者如果想获得较好的交互感和沉浸感,必须依赖于传感器技术和立体显示技术;因为清晰的立体图像显示会提高用户的体验感,而真实的触觉反馈和具有方向感的立体声音会增加使用者感官的满足,提高使用者对虚拟环境的真实感和沉浸感。

(三)系统集成技术

系统集成技术可以定义为:根据不同的需求,将不同的操作系统、网络设备、工具软件等组合在一起,从而形成一个一体化,功能更加稳定强大的新型系统的方法。包括模型的标定技术、数据管理模型、数据的转换技术、信息的同步技术、识别和合成技术等等。

(四)动态环境建模技术

动态环境建模技术相较于前三种技术而言是最重要的,该技术主要借助活动图、状态图和时序图建立相对应的虚拟环境,根据应用不同的需要实时获取地理环境的三维数据,通过获取的数据构建对应的虚拟环境模型[3]。

2.2 VR与AR

VR,即虚拟现实技术,也称灵境技术,在20世纪80年代初由美国VPL公司创建人拉尼(Jaron Lanier)提出。主要内容就是利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备,模拟现实存在或未知不存在的环境及事物,让使用者从视觉、听觉、触觉等感官及时、没有限制地观察三度空间内的事物并获得一种身临其境的感觉[5]。

AR,即增强现实(Augmented Reality),也被称为扩增现实,是通过实时计算摄影机影像的位置及角度并加上相应的图像技术,将原本现实世界中在—定时间、空间范围内很难体验到的实体信息通过计算机科学技术[6],模拟、仿真再叠加后使真实的环境和虚拟的物体实时地在同一个画面或空间出现被人类感官所感知,实现超越现实的感官体验[7]。

相较VR,AR具有四个突岀的特点,如下表所示;

表1 AR的突出特点

1.AR是将真实世界中的信息和虚拟世界中的信息集成后,将其在一个画面或空间展现出来。

2.由于AR是虚拟场景和真实场景的叠加,用户在体验过程中需要结合虚拟画面进行实时互动。

3.AR通过利用计算机技术来实现虚拟世界和真实世界的实时同步,提供用户在一般情况下无法获得的感受。

4.AR是在三维尺度空间中增添定位虚拟物体,也就是要实现3D定位。

从开发过程来看,两者都必须包含如下几种关键技术。

表2 VR和AR兼有的关键技术

技术名称技术简介

1.环境建模技术获取三维环境的数据并根据应用需要利用的数据建立相应的虚拟环境模型。

2.立体声合成和立体显示技术为了给用户更真实的体验感,VR和AR系统中都使用了这两种技术。

3.触觉反馈技术通过该技术用户能直接操作虚拟物体并感觉到重力、方向等,从而产生身临其境的感觉。

4.交互技术交互性是VR和AR的重要特征,语音识别、人脸识别等交互技术在开发中是必不可少的。

5.系统集成技术由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型,因此系统的集成技术成为重中之重;包括信息同步技术、模型标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等。

3 VR发展现状

人类对未知的事物探索是无穷无尽的,从古代的原始人岩画、秦兵马俑、敦煌莫高窟、古希腊雕塑到如今的电影电视技术以及能让人身临其境的虚拟现实技术,这些无一不表达了人类对未知世界的想象与向往。

2.1 虚拟现实思想的前世

虚拟现实技术其根本是对生物在自然环境中的感官和动态的交互式模拟,所以虚拟现实技术和仿真技术是休戚相关的。早在公元前468年-前376年战国时期开始,人类就开始了由仿真技术向虚拟现实技术的探索。公输班(鲁班)在攀山中手指被小草划破并由此启发模仿草叶制成了伐木的锯子;在小鸟翱翔天际的启发下发明了可以在空中持续飞行的飞鹞。

后来汉朝的韩信模仿鸟类发明了风筝并用于军事、通信、气象领域,明朝的时候又传到了朝鲜、日本、美洲和欧洲;美国的莱特兄弟也是利用这一原理发明了飞机,再后来发明家爱德华•林克设计出了世界上第一台飞行模拟器模拟了飞机的飞行。到1962年,美国的莫尔顿•海利发明了有振感的全传感仿真器,这一发明初步蕴含了虚拟现实技术的思想。

2.2 虚拟现实技术的萌芽阶段

1965年,被誉为“图形学之父”的美国人艾凡•萨瑟兰在篇名为《The Ultimate Display》的论文中首次提出了感觉真实、交互真实的人机协作理论,其中包含了虚拟现实系统的基本思想。

1968年,艾凡•萨瑟兰又发明了第一个功能较齐全的头盔式显示器系统,该系统有着能模拟力量和触觉的力反馈装置;后来他又发明了世界上第一套虚拟现实系统,其论文及发明标志着虚拟现实技术的萌芽,被公认为在虚拟现实领域中起着里程碑的作用。

2.3 虚拟现实技术理论的发展和应用阶段

20世纪80年代,美国国家航空航天局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究并取得了令人瞩目的研究成果,从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。进入20世纪90年代,计算机软硬件技术的提高加速了图形处理技术和传感器技术的发展并推动了虚拟现实技术的发展。

2015年5月,谷歌I/O大会在旧金山举行,虚拟现实作为重要的议题引发了热烈的探讨。2016年2月在巴塞罗那举行的世界移动通信大会(MC)上,除了Oculus、索尼、HTC等传统VR厂商参展外,联想、诺基亚、三星等传统手机厂商也争相推出自己的虚拟现实产品,VR的竞争开始蔓延到各个行业,2016年也因此被视为VR元年。

4 结语

本文着重介绍了虚拟现实技术的基本概念与发展历程,虽然这一技术在我国尚且处于起步阶段,但有着非常大的进步空间和发展潜力,其应用前景也是不可估量的[8]。因此我国要及时跟进VR技术的研究工作,使其能够充分发挥它的技术优势;同时也要及时规避其在应用中可能出现的负面影响,帮助这一技术正确、快速、稳定的发展。虚拟现实技术作为一门较为复杂但高速发展的新兴学科,是二十一世纪重要的科学技术之一[9],其受限于当前的研究水平还有很多技术壁垒存在;如何普及虚拟现实技术的应用,如何改进价格高昂、使用体验感有缺陷等问题都是需要解决的。随着虚拟现实技术的快速发展和各学科的不断进步,VR技术将会逐渐融入更多的领域,其理论和实际应用都有着很大的发展空间。