VR、AR和MR的關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)及三者關(guān)系辨析

車敏 柳泉 張晗 空軍工程大學(xué)裝備管理與無人機工程學(xué)院

隨著近年來，計算機三維處理能力的增長和低成本傳感顯示元件的出現(xiàn),虛擬現(xiàn)實得到了快速發(fā)展,特別是與現(xiàn)實世界產(chǎn)生了越來越多的結(jié)合技術(shù),同時人們從虛擬和現(xiàn)實的兩個角度對虛擬現(xiàn)實進(jìn)行了增強。這樣就又出現(xiàn)了在虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)上的增強現(xiàn)實技術(shù)，增強現(xiàn)實是將虛擬對象疊加到了現(xiàn)實中。而增強現(xiàn)實和增強虛擬兩者集合又構(gòu)成了混合現(xiàn)實。虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實與混合現(xiàn)實，這三者之間的相互關(guān)系及其各自的關(guān)鍵技術(shù)是本文重點討論的問題。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實是采用以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸等一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶通過輸出設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用，相互影響，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗。VR技術(shù)由于其超仿真效果被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品展示、工業(yè)制造、醫(yī)療教學(xué)、軍事虛擬作戰(zhàn)、教育培訓(xùn)等領(lǐng)域。

任何虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)都可以用3個“I”來描述其特征：沉浸感—交互性—想象力。沉浸感，指用戶在模擬環(huán)境中所感受到的真實程度。交互性，指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作性和從環(huán)境得到反饋的自然程度。構(gòu)想性，指虛擬環(huán)境使人沉浸其中并獲取新知識，提高感性和理性認(rèn)識，深化認(rèn)知萌發(fā)新意。其中沉浸感與交互性是決定一個系統(tǒng)是否屬于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵特征。

VR系統(tǒng)通用體系結(jié)構(gòu)，主要由虛擬現(xiàn)實產(chǎn)生器和輸入/輸出處理子系統(tǒng)兩部分結(jié)合形成一個較完整的VR系統(tǒng)。VR系統(tǒng)通常使用戶通過多種傳感和操縱設(shè)備,如頭盔式三維顯示器、數(shù)據(jù)手套、語音識別與跟蹤技術(shù)等，浸入虛擬環(huán)境中，為用戶提供了一種全新人機交互方式。

虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面：立體顯示技術(shù)、傳感器技術(shù)、三維圖形生成技術(shù)、動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具、系統(tǒng)集成技術(shù)、實時三維計算機圖形技術(shù)、立體聲、語音輸入輸出等相關(guān)技術(shù)。

2 增強現(xiàn)實技術(shù)

增強現(xiàn)實技術(shù)，是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進(jìn)一步拓展。AR技術(shù)是通過可視化技術(shù)和計算機圖形技術(shù)實時計算攝影機影像的位置及角度并產(chǎn)生相應(yīng)圖像、視頻、3D模型等現(xiàn)實環(huán)境中不存在的虛擬對象，通過傳感技術(shù)將虛擬對象準(zhǔn)確“置”于真實環(huán)境中，借助顯示設(shè)備將虛擬對象與真實環(huán)境融為一體，并為用戶呈現(xiàn)出感官效果真實的新環(huán)境。這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實世界并進(jìn)行互動。

增加現(xiàn)實有三個特點：1）把真實場景信息與虛擬信息相結(jié)合，即虛實融合2）可以實時地進(jìn)行人機交互，即實時交互3）用于三維環(huán)境中，即三維注冊。

典型的AR系統(tǒng)通常由場景采集系統(tǒng)、跟蹤注冊系統(tǒng)、虛擬場景發(fā)生器、虛實合成系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和人機交互界面等多個子系統(tǒng)構(gòu)成。其中場景采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)獲取真實環(huán)境中的信息，如外界環(huán)境圖像或視頻，跟蹤注冊系統(tǒng)用于跟蹤觀察用戶的頭部方位和視線方向等，虛擬場景發(fā)生器用于虛擬圖形繪制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)生成要加入的虛擬圖形對象。虛實合成系統(tǒng)是指虛擬場景與真實場景對準(zhǔn)的定位設(shè)備和算法。具體包括攝像頭、顯示設(shè)備、三維產(chǎn)品模型、現(xiàn)實造型及場景和軟件等。

3 混合現(xiàn)實技術(shù)

混合現(xiàn)實包括增強現(xiàn)實和增強虛擬，該技術(shù)通過在虛擬環(huán)境中引入現(xiàn)實場景，在虛擬、現(xiàn)實和用戶之間搭起可實時交互的信息回路，以增強用戶體驗的真實感。是在VR和AR發(fā)展興起之后提出的一項概念，可以理解為AR的增強版。

MR系統(tǒng)通常有3個主要特點：1）現(xiàn)實與虛擬世界結(jié)合；2）實時交互性，即用戶可與真實世界及虛擬物體實時自然交互；3）三維虛擬模型的被匹配，即虛擬物體與真實世界精確地對準(zhǔn)。MR與AR都具有虛實結(jié)合的特點，但兩者還存在著區(qū)別。混合現(xiàn)實的是亦虛亦實，亦幻亦真。足以讓人分不清真實與虛擬。AR是將動態(tài)的、背景專門化的信息加在用戶的視覺域上。它以真實世界為本位，強調(diào)讓虛擬技術(shù)服務(wù)于真實現(xiàn)實。

MR由于是在VR與AR的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，故在硬件結(jié)構(gòu)上MR系統(tǒng)同VR系統(tǒng)、AR系統(tǒng)的硬件具有一定繼承性和一致性。一個典型MR系統(tǒng)由虛擬場景生成器、頭盔顯示器、實現(xiàn)用戶觀察視線跟蹤的頭部姿態(tài)跟蹤設(shè)備、虛擬場景與真實場景對準(zhǔn)的定位設(shè)備和交互設(shè)備構(gòu)成。

4 VR、AR和MR三者區(qū)別與聯(lián)系

4.1 VR、AR兩者的關(guān)系

VR是完全沉浸在基于真實模型或完全虛構(gòu)的數(shù)字環(huán)境中，而AR是在真實環(huán)境中融入數(shù)字信息，兩者的相同點是，它們都使用多種信息源，通過編程為用戶創(chuàng)建視覺或其他感官的輸入，模仿產(chǎn)生某種體驗。盡管用戶感覺兩者非常相似，但兩者的不同點要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相同點，最大的不同點是增強現(xiàn)實能夠在真實環(huán)境里工作，而虛擬現(xiàn)實則不能。

4.2 VR、AR和MR三者的關(guān)系

多倫多大學(xué)工業(yè)工程系的PaulMilgram對MR定義：真實和虛擬的世界在一個顯示設(shè)備中同時呈現(xiàn)。他提出“真實—虛擬連續(xù)集”概念，將真實與虛擬看作兩極，與處于軸線中間的增強現(xiàn)實和增強虛擬之間構(gòu)成一個連續(xù)集，該系統(tǒng)即為混合現(xiàn)實構(gòu)成體。而混合現(xiàn)實可位于虛擬連續(xù)集極值間任何位置MR的實現(xiàn)需要在一個能與現(xiàn)實世界各事物相互交互的環(huán)境中。當(dāng)用戶在真實場景中移動時，虛擬物體也隨之位移而做出相應(yīng)變化，使虛擬展示物體與真實展示環(huán)境之間能有一個完美結(jié)合。

如果一切事物都是虛擬的，那是VR，VR是純虛擬數(shù)字畫面。AR是現(xiàn)實事物上簡單疊加了一些虛擬信息，AR是虛擬數(shù)字畫面加上裸眼現(xiàn)實。MR是數(shù)字化現(xiàn)實加上虛擬數(shù)字畫面，MR的關(guān)鍵點就是與現(xiàn)實世界進(jìn)行交互和信息的及時獲取。從概念上來說，MR與AR更為接近，都是一半現(xiàn)實一半虛擬影像，但傳統(tǒng)AR技術(shù)運用棱鏡光學(xué)原理折射現(xiàn)實影像，視角不如VR視角大，清晰度也會受到影響。MR技術(shù)是結(jié)合VR與AR的優(yōu)勢，它能更好地將AR技術(shù)體現(xiàn)出來。

5 結(jié)束語

AR技術(shù)與VR技術(shù)共同豐富著現(xiàn)實世界，AR技術(shù)在于增強現(xiàn)實世界的內(nèi)容，VR技術(shù)則是將我們的注意力從現(xiàn)實中轉(zhuǎn)移到一個虛擬的空間。而MR則是將AR和VR完美相結(jié)合起來。如真正的混合現(xiàn)實游戲，是可以將現(xiàn)實與虛擬互動展現(xiàn)在玩家面前。這一點我們可以從電視一些綜藝節(jié)目中看到，比如英國著名的達(dá)人秀節(jié)目。MR技術(shù)能讓玩家同時保持與真實世界和虛擬世界的聯(lián)系，并根據(jù)自身的需要及所處情境進(jìn)行調(diào)整操作。盡管目前全球從事MR領(lǐng)域的企業(yè)和團(tuán)隊都比較少，很多都處于研究階段，但有研究機構(gòu)預(yù)測到2020年，全球頭戴虛擬現(xiàn)實設(shè)備年銷售量將達(dá)到4000萬臺左右，市場規(guī)模約400億元，加上內(nèi)容服務(wù)和企業(yè)級應(yīng)用，市場容量會超過千億元。現(xiàn)今國內(nèi)一些科技企業(yè)已加入到VR設(shè)備和內(nèi)容的研究中，在內(nèi)容創(chuàng)造方面，也有了MR的作品。所有這些都將推動VR更快向AR、MR技術(shù)過渡。