虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）的未來發(fā)展前景


早在2015年的谷歌I/O大會(huì)在5月28日至29日于舊金山舉行，虛擬現(xiàn)實(shí)作為重要的議題引發(fā)了無數(shù)人的探討。虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)普通的網(wǎng)友來說可能還是一個(gè)陌生的詞匯，但是在業(yè)內(nèi)人士眼中虛擬現(xiàn)實(shí)絕對(duì)會(huì)成為下一個(gè)殺手級(jí)技術(shù)。今年的谷歌大會(huì)再次讓大家把目光投放到了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，但它還并未真正被大眾所理解。可能有些人會(huì)說，虛擬現(xiàn)實(shí)就是佩戴著一個(gè)笨重的頭戴顯示設(shè)備，觀看一些虛擬出來的內(nèi)容，會(huì)有一種置身其中的感覺；可能有些人還是會(huì)問，虛擬現(xiàn)實(shí)到底是什么？
    VR得益于三維游戲的發(fā)展，而AR收益于影視領(lǐng)域的跟蹤技術(shù)（video tracking）的發(fā)展。
    從技術(shù)門檻的角度來說，VR、AR和移動(dòng)端重合的技術(shù)有：顯示器、運(yùn)動(dòng)傳感器、處理器、儲(chǔ)存&記憶、無線連接……所以在硬件上，這些都不是技術(shù)難點(diǎn)。
    VR、AR的難點(diǎn)都在感知和顯示，感知是一種mapping，VR mapping的是一個(gè)lighthouse的空間或者PS camera mapping的一個(gè)交叉；在顯示上，VR如何精準(zhǔn)地匹配用戶的頭部產(chǎn)生相應(yīng)的畫面，AR則在這基礎(chǔ)上算出光照、遮擋等情況并讓圖像通透不干擾現(xiàn)實(shí)中的視線。
    而VR硬件的難點(diǎn)在于光學(xué)的鏡片技術(shù)和位置追蹤技術(shù)，因?yàn)橐郧暗囊苿?dòng)端不涉及這些技術(shù)。
    而AR的硬件難點(diǎn)在于顯示和感知，顯示*大的難點(diǎn)在于accommodation，因?yàn)橛脩艨匆娞摂M物體固定在2-3米的位置，而現(xiàn)實(shí)物體卻可以前后聚焦，如果這時(shí)虛擬物體放在現(xiàn)實(shí)物體上，則會(huì)引發(fā)輻輳→用戶聚焦錯(cuò)亂；而在感知上，即使是有Kinect是十幾年積累的hololens，它已經(jīng)做到世界第一了，可它的spatial mapping仍需要花費(fèi)很多時(shí)間去掃描去建模，至限在狹小的室內(nèi)走來走去，而在室外就完全失效了。
    當(dāng)然，也因?yàn)檫@些技術(shù)的門檻，導(dǎo)致硬件價(jià)格居高不下。
    正因?yàn)榇?，AR行業(yè)一片冷寂，而VR行業(yè)非常火爆，因?yàn)閂R的技術(shù)門檻比AR低一個(gè)數(shù)量級(jí)，VR更容易成功。
    從軟件角度來說，現(xiàn)階段視覺上的難點(diǎn)比較多：
    VR的核心技術(shù)是tracking（追蹤）和CG（計(jì)算機(jī)圖形）。三自由度的方向追蹤，六自由度的位置追蹤（見《追蹤設(shè)備的使用場景和覆蓋范圍有哪些局限？是否會(huì)影響VR可交互的空間的設(shè)計(jì)？》）


    前的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的呈現(xiàn)，主要是體驗(yàn)者依靠全封閉的頭戴型顯示器觀看電腦模擬產(chǎn)生的虛構(gòu)世界的影像，并配有耳機(jī)、運(yùn)動(dòng)傳感器或其他設(shè)備等，為其提供視覺、聽覺、觸覺等方面的感官體驗(yàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的整套設(shè)備可以根據(jù)體驗(yàn)者的反應(yīng)做出反饋，使體驗(yàn)者達(dá)到身臨其境的感覺。
    目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)大家來說還是充滿了神秘感，除了知道各高端品牌推出的頭戴顯示器外，恐怕對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就再無太多的了解了。想必大家都會(huì)覺得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門高新技術(shù)，但其實(shí)不然，早在1965年就有科學(xué)家在論文中提及了包括具有交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本思想，而第一個(gè)頭戴顯示器早在1966年就由MIT林肯實(shí)驗(yàn)室研制成功了
    下面筆者就從虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)的不足等三個(gè)方面，為大家層層揭開虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)神秘的面紗。
    3D模型實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)的虛擬
    一、3D模型實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)的虛擬
    筆者認(rèn)為從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實(shí)是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口，它通過給用戶同時(shí)提供視、聽、觸等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，因此具有多感知性、存在感、交互性、自主性等重要特征。其實(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并不是一項(xiàng)單一的技術(shù)，而是多種技術(shù)綜合后產(chǎn)生的，其核心的關(guān)鍵技術(shù)主要有動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、系統(tǒng)開發(fā)工具應(yīng)用技術(shù)、實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等五大項(xiàng)。
    一張圖帶你了解虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)
    ●動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)
    動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)比較核心的技術(shù)，它的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。
    ●立體顯示和傳感器技術(shù)
    虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)?，F(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需要，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍有待提高。同時(shí)，顯示效果對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感、沉浸感，都需要通過高的清晰度來實(shí)現(xiàn)。
    ●系統(tǒng)開發(fā)工具應(yīng)用技術(shù)
    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和對(duì)象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對(duì)象可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。為了達(dá)到這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)工具。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。
    ●實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)
    目前，三維圖形技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”三維效果的生成。為了達(dá)到實(shí)時(shí)的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15楨/秒，最好是高于30楨/秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術(shù)的研究內(nèi)容。
    ●系統(tǒng)集成技術(shù)
    集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識(shí)別和合成技術(shù)等等。由于虛擬現(xiàn)實(shí)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)也起著至關(guān)重要的作用。
    另外，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由檢測模塊、反饋模塊、傳感器模塊、控制模塊、建模模塊構(gòu)成。檢測模塊，檢測用戶的操作命令，并通過傳感器模塊作用于虛擬環(huán)境。反饋模塊，接受來自傳感器模塊信息，為用戶提供實(shí)時(shí)反饋。傳感器模塊，一方面接受來自用戶的操作命令，并將其作用于虛擬環(huán)境；另一方面將操作后產(chǎn)生的結(jié)果以各種反饋的形式提供給用戶?？刂颇K則是對(duì)傳感器進(jìn)行控制，使其對(duì)用戶、虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生作用。建模模塊，獲取現(xiàn)實(shí)世界組成部分的三維表示，并由此構(gòu)成對(duì)應(yīng)的虛擬環(huán)境。北京模型網(wǎng)在五個(gè)模塊的協(xié)調(diào)作用下，最終夠建出3D模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)的虛擬。
    它模糊的虛擬與現(xiàn)實(shí)界限
    二、它模糊的虛擬與現(xiàn)實(shí)界限
    虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)根據(jù)體驗(yàn)者參與形式的不同大致可分為四種模式：桌面式、沉浸式、增強(qiáng)式和分布式。桌面式以普通顯示器或者立體現(xiàn)實(shí)器影像為呈遞窗口；沉浸式利用頭戴式顯示器顯示影像；增強(qiáng)式則是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境疊加在一起，現(xiàn)在已成為虛擬現(xiàn)實(shí)的分支，即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；分布式則是將異地不同用戶聯(lián)結(jié)起來，共同觀看、操作同一虛擬世界中的內(nèi)容。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還可以配備位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和其他輔助設(shè)備、設(shè)施等，為體驗(yàn)者提供更真實(shí)的沉浸感現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。
    目前，*為受推崇的應(yīng)該要算沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)了，下面筆者就以其為例，介紹一下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。
    ●頭戴式顯示器
    谷歌、三星、索尼等公司都推出了自己的顯示頭戴產(chǎn)品，大部分已投放到市場中，以具有領(lǐng)航者身份的Oculus Rift顯示頭戴*具代表性，其擁有110°視角，全封閉視覺環(huán)境。在戴上它之后，使用者將看到另一個(gè)虛擬的世界，通過雙眼視差以及畫面變形，使用者會(huì)有很強(qiáng)的立體感與景深感，仿佛置身虛擬世界當(dāng)中。此外設(shè)備中配有陀螺儀、加速計(jì)，用以追蹤頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到更加強(qiáng)烈的浸入感。
    三星Gear VR頭戴式顯示器
    ●數(shù)據(jù)手套
    數(shù)據(jù)手套也是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的重要組成，集成了傳感器技術(shù)和光纖技術(shù)等，可以實(shí)時(shí)獲取人手的動(dòng)作姿態(tài)，感知手指關(guān)節(jié)的彎曲狀態(tài)，精確定位，產(chǎn)生力反饋，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中再現(xiàn)人手動(dòng)作，已達(dá)到人機(jī)交互的目的。
    數(shù)據(jù)手套
    目前，虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)手套主要有5DT、Cyber Glove、DGTech等公司生產(chǎn)，根據(jù)使用者的需求，提供不同配置、精確度的版本選擇，價(jià)格在幾千元到幾萬元間不等。
    ●全方位跑步機(jī)
    虛擬現(xiàn)實(shí)跑步機(jī)，必然不同于一般的跑步機(jī)，它底部是一個(gè)平面光滑平臺(tái)，基本是由三根支架固定，中間的腰環(huán)來固定人體的位置，可能需要特殊的鞋子，可實(shí)現(xiàn)走、跑、坐、下蹲、跳躍、小幅度平移等動(dòng)作。目前， Cyberith公司推出了Virtualizer，Virtuix公司推出了Omni等產(chǎn)品，國外的消費(fèi)者們已經(jīng)可以購買到了。
    全方位跑步機(jī)
    以Virtuix Omni虛擬現(xiàn)實(shí)跑步機(jī)為例，其需要與Oculus Rift虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴裝置或PC控制器來配合使用，無法獨(dú)立運(yùn)行。在配備了專用的跑鞋、游戲槍之后，就可以用第一人稱的視角來進(jìn)行FPS射擊游戲，可以模擬在游戲中的場景，根據(jù)自己的自由意志進(jìn)行自然的移動(dòng)，真正的做到“跑起來”的感覺。Virtuix Omni專用的跑步鞋可以通過與跑步機(jī)地盤上的傳感器同步數(shù)據(jù)，并且在佩戴Oculus Rift之類的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備之后，玩家轉(zhuǎn)頭、側(cè)身等動(dòng)作都可以在游戲中同步，帶來絕對(duì)身臨其境的感受?？梢哉f整套系統(tǒng)*大程度的整合了視覺、聽覺、動(dòng)作等因素，給人以極大的逼真感，徹底模糊了虛擬與現(xiàn)實(shí)的界限。
    虛擬現(xiàn)實(shí)難以突破的瓶頸
    三、虛擬現(xiàn)實(shí)難以突破的瓶頸
    ●無法完全解決的眩暈感——你可能會(huì)嘔吐
    目前，虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)上的*大問題就是眩暈感。體驗(yàn)者在適應(yīng)全新的感官環(huán)境時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)類似暈車的狀況。雖然一些研究人員表示在虛擬影像中添加一個(gè)鼻部圖像，可能會(huì)幫助體驗(yàn)者更好地適應(yīng)，但目前尚未得到虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備及軟件廠商的支持。雖然一些高端設(shè)備在不同程度上解決了眩暈感的問題，但因體驗(yàn)者自身身體狀況、適應(yīng)能力的影響，還是無法完全避免眩暈感的產(chǎn)生，體驗(yàn)者連續(xù)佩戴的時(shí)間可能無法超過30分鐘。
    無法完全解決的眩暈感
    ●“沉浸體驗(yàn)”和“真實(shí)感”難兼得
    沉浸體驗(yàn)常被作為衡量虛擬現(xiàn)實(shí)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，然而在當(dāng)前的技術(shù)條件下，沉浸體驗(yàn)卻成了另一個(gè)衡量指標(biāo)——畫面“真實(shí)感”（即清晰度）的“天敵”。
    想要畫面變得更真實(shí)，就需要高清晰度來支持，如果清晰度提高了，那么畫面就會(huì)離人眼更遠(yuǎn)，從而降低沉浸體驗(yàn)；反之亦然。之所以會(huì)如此，主要是因?yàn)槠聊环直媛实南拗?。我們可以理解為，離屏幕越近，顆粒感越強(qiáng)，而顆粒感，通過透鏡放大后進(jìn)一步明顯，從而使得人眼獲取的實(shí)境比較模糊；如果分辨率沒有高到一定程度，就無法解決這個(gè)難題。
    沉浸體驗(yàn)”和“真實(shí)感”難兼得
    如果要達(dá)到沉浸體驗(yàn)和清晰度的均衡，至少需要4K的分辨率，但目前，市面上各家VR頭戴顯示器公司所生產(chǎn)的產(chǎn)品還未能到達(dá)這一分辨率，都還在探索如何在“沉浸體驗(yàn)感”和“清晰度”間找到更好的“平衡點(diǎn)”，以求得在相對(duì)好的沉浸體驗(yàn)下，不降低清晰度。不過，這個(gè)矛盾僅僅是VR硬件上所面臨諸多問題中的一個(gè)。
    ●屏幕刷新率也是一個(gè)難以突破的瓶頸
    120HZ的屏幕刷新率是保證VR畫面接近于現(xiàn)實(shí)的*低要求，當(dāng)前手機(jī)屏幕的刷新率基本還停留在60HZ水平，PC顯示器可以滿足。同時(shí)，刷新率的提升，會(huì)對(duì)芯片的計(jì)算、功耗造成很大壓力， 這對(duì)設(shè)備的硬件提出了要求。
    手忙腳亂的使用者
    ●你也許覺得自己很酷，但別人認(rèn)為很蠢
    也許你佩戴上虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器會(huì)覺得自己很酷，但從旁觀者的角度來說，無疑會(huì)感覺你有些怪異和愚蠢。當(dāng)你佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器沉浸在虛擬世界里時(shí)，你的眼睛被完全蒙上了，看不到現(xiàn)實(shí)周圍的情況，自言自語或是大笑大叫，顯然會(huì)讓周圍的人感到你很滑稽。 另外，對(duì)于一些本來就分不清幻想和現(xiàn)實(shí)的病人來說，虛擬現(xiàn)實(shí)可能會(huì)對(duì)他們造成更嚴(yán)重的精神問題，加重他們的病情，甚至在嚴(yán)重的情況下，還有可能會(huì)出現(xiàn)妄想癥。
    虛擬現(xiàn)實(shí)是一個(gè)造夢的行業(yè)
    即便虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展慢于預(yù)期、也存在一些需要解決的問題，它仍是*有潛力的趨勢化技術(shù)。屏幕分辨率、刷新率，芯片計(jì)算能力、功耗以及元件上的瓶頸，直接限制了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在手機(jī)端的發(fā)展。硬件和內(nèi)容的雙重掣肘，讓虛擬現(xiàn)實(shí)很大程度上還只停留在“概念”層面。而資本市場的過度繁榮，雖然帶來了一些利好，但并未解決產(chǎn)業(yè)的實(shí)質(zhì)問題。
    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展還不夠成熟
    虛擬現(xiàn)實(shí)是一個(gè)造夢的行業(yè)，立體化的拓展了我們的感知空間，也許現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的未來還不能夠清晰的被勾勒出來，相關(guān)產(chǎn)品的普及也還需要很長一段時(shí)間。現(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示的畫面還不夠清晰，仍然可以看到像素顆粒，你也無法去觸摸你看到的東西，但隨著時(shí)間的推移，這一切都會(huì)有所改觀。雖然目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展還不夠成熟，存在著許多爭議，但不可否認(rèn)的是，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)成為一種重要的新媒介、新的平臺(tái)，無論是對(duì)于游戲還是社交，亦或是其他更多領(lǐng)域。
    你會(huì)發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的一切都值得去等待
    相信無論虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)如何發(fā)展，產(chǎn)業(yè)怎樣演進(jìn)，還有很多的未知等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，無論是創(chuàng)新的引領(lǐng)者、推廣者還是接受者，都應(yīng)保持一顆開放、寬容的心來迎接更多的可能。相信，你會(huì)發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的一切都值得去等待.