虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

雷卓石

摘 要：虛擬與混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在當(dāng)今是應(yīng)用在各種領(lǐng)域中的技術(shù)并且將會(huì)被應(yīng)用在更多的領(lǐng)域。這篇文章將帶領(lǐng)我們探索它的起源以及進(jìn)化過(guò)程。我們將從一些重要技術(shù)的發(fā)展開(kāi)始， 例如視線追蹤以及手勢(shì)識(shí)別以及它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用，并將逐一介紹它們的發(fā)展以及現(xiàn)狀。我們同時(shí)也將介紹一個(gè)類似的技術(shù)——增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。我們同時(shí)也將介紹現(xiàn)在市場(chǎng)上流行的商品。最后，我們還將討論虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展目前遇到的瓶頸、可能的發(fā)展方向和未來(lái)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬 增強(qiáng) 技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）01（c）-0150-02

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）最近幾年變得越來(lái)越熱門(mén)。早些時(shí)候其中一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的熱門(mén)應(yīng)用——AR地圖，使用戶能夠?qū)崟r(shí)看到疊加在地圖上的有效信息。虛擬現(xiàn)實(shí)在過(guò)去幾十年里則是在娛樂(lè)與游戲行業(yè)得到了極大的發(fā)展（例如索尼的PlayStation）。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也應(yīng)用到了游戲行業(yè)，例如，在2016最熱門(mén)的游戲之一Pokemon GO。在最近的科技產(chǎn)品谷歌眼鏡中，我們也能見(jiàn)到AR的身影。這篇文章將同時(shí)對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的歷史與發(fā)展進(jìn)行介紹與對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的說(shuō)明。

1 運(yùn)用在AR、VR和MR上的核心技術(shù)

一些涉及AR、VR和MR應(yīng)用的重要技術(shù)在過(guò)去40～50年間高速發(fā)展。這些技術(shù)主要來(lái)自計(jì)算機(jī)視覺(jué)的核心領(lǐng)域。 視線跟蹤是其中一種的技術(shù)。它可以幫助電腦跟蹤用戶關(guān)注的位置。另一個(gè)重要的技術(shù)是手勢(shì)識(shí)別，這有助于用戶創(chuàng)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(shù)，反映了他們的注意力和需求。這個(gè)技術(shù)的基礎(chǔ)是找到瞳孔凝視的位置。在介紹一些技術(shù)細(xì)節(jié)之前，我們將研究一下兩個(gè)關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)。第一個(gè)叫作注視線（LoG），它是光線通過(guò)瞳孔中心的那條水平線。另一個(gè)被命名為視線（LoS），這是從視網(wǎng)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?yàn)槭且暰€決定了一個(gè)人的視覺(jué)注意力，因?yàn)橐暰W(wǎng)膜中心凹陷處集中了大量感光細(xì)胞，負(fù)責(zé)感知事物的細(xì)節(jié)。現(xiàn)有系統(tǒng)有一個(gè)問(wèn)題它們需要復(fù)雜和繁重的校準(zhǔn)。

對(duì)于因眼睛的測(cè)量變化而言并不完美，因?yàn)椴煌说难矍蚪Y(jié)構(gòu)差異以及視網(wǎng)膜中心凹陷處定位很困難。此外，有些公司使用侵入式設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)眼睛注視軌跡的目標(biāo)的高精度，且需要限制頭部運(yùn)動(dòng)，使用戶感到不舒服。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)名叫FreeGaze的新技術(shù)是由工程師用來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視線跟蹤。解決了現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，F(xiàn)reeGaze每次校對(duì)只需要兩個(gè)點(diǎn)，而且一旦對(duì)單一用戶校對(duì)完成，之后不再需要校準(zhǔn)，對(duì)日常使用非常方便。

自由注視總共有5個(gè)步驟：（1）首先我們用紅外攝像頭來(lái)捕捉眼球圖像。（2）然后生成一個(gè)小方形為了降噪并且方便處理。這個(gè)圖像會(huì)被分成若干個(gè)小圖像，然后對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算生成不同區(qū)域。（3）第三布是偵測(cè)瞳孔位置。相鄰的像素點(diǎn)將被一一對(duì)比，使瞳孔區(qū)域與眼球其他區(qū)域能被區(qū)分開(kāi)，減少如眼鏡架等外物的干擾。（4）重復(fù)執(zhí)行步驟二與步驟三直到瞳孔被完整偵測(cè)出來(lái)，或系統(tǒng)判定該區(qū)域沒(méi)有瞳孔。接著對(duì)瞳孔邊緣進(jìn)行精細(xì)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(cè)，用于檢索瞳孔中心。檢測(cè)到瞳孔中心之后，視線追蹤就算完成了。

3 混合現(xiàn)實(shí)

3.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種允許用戶在現(xiàn)實(shí)中與虛擬世界互動(dòng)的技術(shù)。通過(guò)傳感器將氣味、聲音等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)處理并通過(guò)可穿戴設(shè)備如Google Glass疊加到現(xiàn)實(shí)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(gè)角落并提供有用的信息，如城市地標(biāo)和城市的歷史。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)不僅可以執(zhí)行現(xiàn)實(shí)世界的信息，還可以在用戶面前添加虛擬信息。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的區(qū)別是，虛擬現(xiàn)實(shí)企圖將虛擬世界轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)；相反，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則是企圖把現(xiàn)實(shí)變成虛擬世界。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)需要一些基本成分來(lái)實(shí)現(xiàn)，如輸入設(shè)備（通常是攝像頭和麥克風(fēng)）、處理器和顯示屏。其中一個(gè)著名的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用是HUD，被稱為平視顯示器。它的名字來(lái)自在現(xiàn)代飛機(jī)上使用的平視顯示器飛行員側(cè)重于前視，防止他們因?yàn)轭l繁觀察儀器臺(tái)造成的頻繁頭部運(yùn)動(dòng)引起的頭暈。通過(guò)在穿戴式設(shè)備中應(yīng)用HUD技術(shù)，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(yīng)用HUD，可以顯示行駛方向，即將到來(lái)的景點(diǎn)和前方的路況。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以在很多方面應(yīng)用。

3.2 虛擬增強(qiáng)

與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)不同，增強(qiáng)虛擬可以提供進(jìn)一步沉浸式用戶體驗(yàn)。用戶體驗(yàn)虛擬世界時(shí)，一些現(xiàn)實(shí)世界的信息將會(huì)輸入，使你感覺(jué)你正處于“現(xiàn)實(shí)世界”，4維電影可以提供一個(gè)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(chuàng)造沉浸式體驗(yàn)。

4 虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

現(xiàn)在在市場(chǎng)上有很多虛擬和混合現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品。接下來(lái)將會(huì)介紹它們中的一部分。

（1）Hololens。作為微軟第一臺(tái)無(wú)線全息計(jì)算機(jī)設(shè)備，Hololens提供給用戶全新的體驗(yàn)。它將3D內(nèi)容投射到現(xiàn)實(shí)世界中并允許用戶使用視線、手勢(shì)甚至語(yǔ)音與這些3D內(nèi)容交互。對(duì)于每個(gè)用戶，Hololens可以提供一個(gè)允許讓您設(shè)計(jì)一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界完全不同的數(shù)字世界并與您的數(shù)字世界互動(dòng)。您還可以通過(guò)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(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備，專為PlayStation4家庭視頻游戲級(jí)而設(shè)計(jì)。它可以由DualShock 4控制器或PlayStation Move控制器控制。不像其他頭戴設(shè)備，PlayStation VR只需要一個(gè)PS4控制臺(tái)為平臺(tái)和一個(gè)攝像頭用于定位，所以PlayStation VR的價(jià)格是實(shí)惠的。另外，大多數(shù)VR設(shè)備使用兩個(gè)攝像頭跟蹤，而PlayStation只使用一個(gè)攝像頭就可以提供非常高的準(zhǔn)確性。然而，使用一個(gè)攝像頭會(huì)導(dǎo)致一個(gè)問(wèn)題，如果你移動(dòng)的過(guò)遠(yuǎn)就會(huì)收到提醒。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)從Sensorama的問(wèn)世再到HTC Vive或PSVR的出現(xiàn)進(jìn)化了許多。諸如屏幕分辨率提高、凝視跟蹤技術(shù)、手勢(shì)識(shí)別等創(chuàng)新技術(shù)已經(jīng)導(dǎo)致人機(jī)交互更加無(wú)縫。這使得產(chǎn)品更直觀易用。但是，還有一些問(wèn)題仍然需要進(jìn)行評(píng)估和解決。電線和電源的問(wèn)題仍然需要大量的工作。也許在未來(lái)，我們可以看到VR和混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備的兩個(gè)不同的終極版本。一個(gè)是完全無(wú)線穿戴式設(shè)備，具有足夠的電源長(zhǎng)時(shí)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(shè)備，可以消除物理限制，為用戶提供完整的數(shù)字世界。那就是我希望VR技術(shù)向前邁進(jìn)的方向。

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