vr/ar虚拟现实技术_什么是ar和vr技术

(130) 2024-06-28 23:01:01

随着社会生产力和科学技术的不断发展,各行各业对VR技术的需求日益旺盛。VR技术也取得了巨大进步,并逐步成为一个新的科学技术领域。

虚拟现实技术(英文名称:Virtual Reality,缩写为VR),又称灵境技术,是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体,其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。

所谓虚拟现实,顾名思义,就是虚拟和现实相互结合。从理论上来讲,虚拟现实技术(VR)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统,它利用计算机生成一种模拟环境,使用户沉浸到该环境中。虚拟现实技术就是利用现实生活中的数据,通过计算机技术产生的电子信号,将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象,这些现象可以是现实中真真切切的物体,也可以是我们肉眼所看不到的物质,通过三维模型表现出来。

因为这些现象不是我们直接所能看到的,而是通过计算机技术模拟出来的现实中的世界,故称为虚拟现实。

同时,虚拟现实具有一切人类所拥有的感知功能,比如听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉等感知系统。

最后,它具有超强的仿真系统,真正实现了人机交互,使人在操作过程中,可以随意操作并且得到环境最真实的反馈。正是虚拟现实技术的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了许多人的喜爱。

一、VR发展历史

1、第一阶段(1963年以前)有声形动态的模拟是蕴涵虚拟现实思想的阶段

1929年,Edward Link设计出用于训练飞行员的模拟器;1956年,Morton Heilig开发出多通道仿真体验系统Sensorama。

2、第二阶段(1963—1972)虚拟现实萌芽阶段

1965年,Ivan Sutherland发表论文“UltimateDisplay”(终极的显示);1968年,Ivan Sutherland研制成功了带跟踪器的头盔式立体显示器(HMD);1972年,NolanBushell开发出第一个交互式电子游戏Pong。

3、第三阶段(1973—1989)虚拟现实概念的产生和理论初步形成阶段

1977年,Dan Sandin等研制出数据手套SayreGlove;1984年,NASA AMES研究中心开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器;1984年,VPL公司的JaronLanier首次提出“虚拟现实”的概念;1987年,JimHumphries设计了双目全方位监视器(BOOM)的最早原型。

4、第四阶段(1990年至今)虚拟现实理论进一步的完善和应用阶段

1990年,提出VR技术包括三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率显示技术;VPL公司开发出第一套传感手套“DataGloves”,第一套HMD“EyePhoncs”;21世纪以来,VR技术高速发展,软件开发系统不断完善,有代表性的如MultiGen Vega、Open Scene Graph、Virtools等。

二、什么是 VR 的核心准则?

如何将事物更全面、更真实、更廉价的呈现在人类感知中,始终是促进人类表达的历史的主要动力,为此我们发明了文字和绘画。随着技术的进步,电子科技再一次承载了这一梦想,同时也永久性的改变了人类表达的习惯。通过绘制技术的提升,我们不单单可以呈现表现自然,甚至可以在绘画中增加自己的情感。对于绘画的接受者来说,「重现」只是内容呈现的基础,引起生理和心理的共鸣才是最大的需求,「沉溺」很好的表达了这种需求的正当性。

无论是 17 世纪的的全景画还是越来越逼真的电子游戏,技术始终从各个方面推动了人类的表现能力,当技术达到了人类对世界的感官认识的最低要求的时候,虚拟现实——VR 就出现了。所以 VR 的核心准则就是:使用技术手段,尽可能地满足人类的感官,最终达到甚至超越人在自然世界的感官效果。这种感官认识能力是人作为一个完整的接收设备,对自然的认识能力,包括了视觉、听觉甚至整个身体的感受能力。

三、AR、VR 的区别是什么?

目前来说 VR 产业指的是虚拟现实产业,通过头戴显示器和交互设备将用户和现实割裂开来,让用户在虚拟世界中可以获得一个独立的完整的体验。

而 AR(现实增强)的核心内涵是现实和数据的叠加。即是让用户在现实世界使用设备保持观察现实世界的同时,对现实进行标记,并对标记内容增加数据展示、视频播放和可互动内容展示,并通过计算视觉(摄像头)、手柄等设备在真实世界中,获得服务或进行游戏。AR 对于用户来说就是视觉在现实世界的增强。通过 AR 设备,将现实世界网络化服务化。AR 产品一般分为反射式和视频式,长期作为军用设备被广大爱好者所熟知。

视频式可以看做 AR 设备和 VR 设备的一次整合,这类设备一般使用近距离显示设备展示信息,用外置摄像头采集信息。

当然如果 VR 产业能茁壮成长的话,那么我认为未来还会有另一层面含义的 VR+AR 的模式,即是机器人为介质的整合,这个将在未来的篇幅中进行讨论。

MR 即所谓的混合显示是我不建议使用的词汇,因为凡是 MR 的模式,首先必然是 AR 模式的,这个词更多的是一种状态的描述,当用户使用 AR 设备时,必然将数据服务和现实世界的现实进行了叠加,即是 MR 形态。所以,把 MR 作为一种独立的形态来提出是不合时宜的。

四、从定位分析如何实现虚拟现实

目前行业中存在以下几种 VR 硬件产品:

手机 VR 产品

头戴显示器(PC 或者主机)VR 产品

基于空间定位的大型 VR 设备

简单来说,目前并没有成熟的交互解决方案,所有的厂商只能使用某种勉强能进行的交互手段来支持 VR 内容的互动,例如:媒体化 VR 方案、通过定位实现的 VR 游戏房、通过某种跑步机实现的固定位置互动的 VR 方案。

我们先从产品,服务定位,再到商业模式诸方面来对行业进行分析。

手机 VR(Moblie VR):

因为 VR 产业的出现和智能手机产业有非常密切的关系,所以当 Google 拿出纸盒 VR 的解决方案的时候技术几乎是理所应当的。在三星推出了 GearVR 之后,这种设备从设计和功能角度来说已经达到了难以改进的地步。同时为同类的手机厂商提供了完美的产品解决方案样板。这种设备将手机作为 VR 的显示设备、头部捕捉设备和计算中心同时在外部提供一个触摸板和固定按钮作为操作区域。这样做最大的好处是,通过市场上符合需求的手机的巨大保有量,可以用过非常低廉的手段为广大的用户提供 VR 设备。尤其在国内厂商的参与下,手机 VR 的今年的出货量很有可能达到一个很高的数字。如果有好的商业模式支撑,可以为 VR 设带来巨大的普及。

但是这类设备的核心问题是缺乏真正的有效的交互手段,如果只通过外壳上的触摸区域和按钮,那么只能对一些低频次的操作,例如界面切换、层级切换、文本阅读、图片浏览等进行处理。同时单手多次操作会导致手臂肌肉疲劳,例如手肘位置在站立、不标准的坐姿下会缺乏支撑。虽然是基于手机的设备,但是对于用户来说,在户外使用这类全封闭的设备有非常高的不确定性,甚至可以说是安全隐患。如果使用蓝牙支持的外接手柄或其他设备,且不讨论是否会造成需要多次消费印象,如果在虚拟场景内高速移动,目前的案例都显示,会在使用中伴随强烈的眩晕。

所以如果针对手机类型的 VR 显示设备制作应用或服务的,是应该考虑在室内固定位置使用的,同时尽量减少操作频次。同时考虑到手机作为沟通工具的本质,在使用中经常会出现其他服务的提醒,所以应该提供使用时间上尽量短的应用。目前来看,展示类和媒体类的产品形态是最符合这种低互动操作。例如直播类产品。在手机 VR 平台上,各种服务都只能很少甚至不能提升原有服务的体验,也无法改变原有商业模式,所以只能作为一种新奇的补充。为未来基于手机视频 AR(增强现实)提供技术积累。

综上,目前的手机 VR 平台,是一个轻交互、服务模式单一,平台服务复杂,以体验为主的平台。在这种情况下,这个平台肯定难以作为支撑起引导技术革命的基础。

头戴显示器 VR 产品(VR Headset):

这类产品指的是以 Oculus、HTC Vive、和 PS VR 为代表性的一类产品,这类产品的典型特征是没有独立的计算中心,屏幕不可拆离。这类产品普遍具备更高分辨率的显示效果、更精确的位置追踪效果,同时他们的计算设备主要是通过线材连接的主机或电脑。从头戴显示器的角度来说,他们比手机 VR 设备拥有更高的技术含量。在这个早期市场中,三个主要的头戴显示器 VR 产品都拥有独立的交互系统、位置最终系统和内容服务平台。

(Oculus CV1)

其中 Oculus 作为头戴显示器的开拓者最为大家所熟知,在早期他们几乎代表了行业对 VR 未来的全部技术想象。Oculus 的出现也可以看作是智能手机产品的成功,VR 产业通过智能手机产业获得了相对廉价和高清的显示屏,Oculus 使用的就是三星手机的屏幕,通过两个目镜搭建了显示系统。并且通过陀螺仪传感器对头部动作进行捕捉,让使用者能够第一次在虚拟世界里面自由观看,而非手动操控视角,这是一件重要的感官革新。

因为对 PC 平台的良好支持,在 Oculus 早期的开发者版本 DK1 出现不久,就实现了非常便捷的对 window 下桌面游戏产品的支持,大量的游戏产品被引入了 VR 世界。早期的 DK1 的分辨率比较低,所以阅读类和视频类的 demo 还比较少,这个直到正式发行的 CV1 才得到了改变。

DK1 在展示 VR 世界的无限可能性时也展示了当前缺乏有效和合理的交互方式的一面。无论是使用鼠标键盘、还是手柄、或者 kinect,操作和显示都彻底分离了,用户无法同步的进行操作和显示的设定,总要盲目的进行其中一者。

身体和视觉的分离成为了使用者最直观的感受,二维时代的鼠标键盘对应屏幕的直观操作系统成为了虚拟世界操作系统的障碍。当然,手柄也没有好到哪里去,不过手柄的交互逻辑比较简单,所以反而更加有快捷了,尤其手柄键盘将在文字输入上成为 Xbox One 和 Facebook 唯一的救星,这个又是其他操作设备难以媲美的,不过对于使用者来说,练习盲打操作依旧是必备技能。

随着 Steam 联合 HTC 发布 Vive,Oculus 联合 Facebook 共同维护的 VR 早期市场迎来第一次竞争。同时 Steam 和 HTC 的组合带来了一个新的趋势,行业最大的内容发布商和专业的硬件设计生产商将带来怎样的想象力?这两个点都是 Oculus 和 Facebook 组合的短板,这种压力必然促进了 Oculus 和 Xbox 平台的合作。

Steam 作为 PC 游戏行业最重要的内容发行商,一直试图在 PC、游戏机和单机、网络游戏的模式上进行突破,并发展了自己的硬件生产规划,所以对 VR 市场有非常明确的意图。并且在早期就保持着 Oculus 的合作,但随着 Facebook 对 Oculus 的收购而终止了。

但很显然,Steam 从早期的合作中已经非常明显的感受到了操作带来的局限性,已经成为了进入 VR 世界的主要门槛,所以 HTC Vive 拿出了目前最好的 VR 交互方案-即通过头盔显示、延长线链接、双无线手柄和激光系统对用户和手柄位置进行定位的综合系统,这套系统最大的价值是人不再作为一个方向的维度(视角和鼠标)、也不是一个缺乏反馈的视觉系统(kinect),而是第一次作为一个活动整体在 VR 世界中确定了下来。

这种交互模式让使用者可以在局限的物理空间内可以相对自由和无障碍的与虚拟空间进行单向度的互动。之所以说是单向度的,是因为虚拟世界的空间对使用者不构成任何影响,构成影响的是真实空间的边界。HTC Vive 体现了在它最强大交互方式的影响下,虚拟空间在不再构成叙事的有利元素。

试图围绕 HTC Vive 创作的产品,首先需要面对的问题是,他们的操作者首先变成了真实的人,拥有真实的体能和反应。并且是盲目的人站在一堆绳索上挥舞手柄,这对家居环境构成了极大的挑战,如果这样成为主要的未来,那么我们很有可能在很短的时间内在宜家看到各种无障碍的标准客厅装修风格,以及在购买家居的时候「不易磕碰」会成为重要卖点。

基于空间定位的大型 VR 设备:

大型 VR 模式指的是通过空间定位系统和 VR 系统相结合,让用户可以在由真实空间承载的虚拟空间中随意行走,同时虚拟空间的空间物理特征由真实空间的景观所承载。这样,就营造了最为真实的虚拟现实可体验空间。例如在《The Void》中,通过布景搭建,布置了软体墙体和喷头雾化等系统,可以和虚拟场景紧密叠加,带来近乎完美的交互体验。

五、虚拟现实的关键技术主要包括哪里?

1、动态环境建模技术

虚拟环境的建立是VR系统的核心内容,目的就是获取实际环境的三维数据,并根据应用的需要建立相应的虚拟环境模型。

2、实时三维图形生成技术

三维图形的生成技术已经较为成熟,那么关键就是“实时”生成。为保证实时,至少保证图形的刷新频率不低于15帧/秒,最好高于30帧/秒。

3、立体显示和传感器技术

虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展,现有的设备不能满足需要,力学和触觉传感装置的研究也有待进一步深入,虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高。

4、应用系统开发工具

虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象,选择适当的应用对象可以大幅度提高生产效率,减轻劳动强度,提高产品质量。想要达到这一目的,则需要研究虚拟现实的开发工具。

5、系统集成技术

由于VR系统中包括大量的感知信息和模型,因此系统集成技术起着至关重要的作用,集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等。

虚拟现实技术受到了越来越多人的认可,用户可以在虚拟现实世界体验到最真实的感受,其模拟环境的真实性与现实世界难辨真假,让人有种身临其境的感觉,相信未来这种技术将会得到大量的应用和推广。

THE END

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