文/張燕翔

虛擬現(xiàn)實技術(shù)：走向融合的旅程

文/張燕翔

自從計算機(jī)媒體技術(shù)誕生以來，多種感覺媒體也在不斷走向融合，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展尤其體現(xiàn)了這種融合。

從雙目視覺到多種媒體形態(tài)的融合

在攝影術(shù)誕生之初，立體照相機(jī)和立體觀片器就也幾乎同時誕生了，這樣的技術(shù)允許人為的手段模擬人類左右眼成像系統(tǒng)融合所能產(chǎn)生的獨特的立體視覺效果。

早在1833 年，英國科學(xué)家惠斯登(Charles Wheatstone)就發(fā)現(xiàn)了雙眼視差形成立體視覺的原理，并于1838年親自制作立體鏡證實了這一學(xué)說，這是人類第一次對立體視覺有一個較為科學(xué)的認(rèn)識。英國物理學(xué)家塔爾伯特( F.1.Talbot)根據(jù)惠斯登的立體成像原理，于1841年設(shè)計出了第一臺立體相機(jī)，此后世界各國陸續(xù)對其仿制并改進(jìn)。這種立體相機(jī)會拍攝出兩個符合視差的并列圖對圖像，需要用專門的立體鏡才能觀看到立體效果。

這項技術(shù)后來在多個領(lǐng)域得到充分的發(fā)展和運用，在影視方面成為立體影視、4D、5D,甚至7D電影體驗中最基礎(chǔ)的內(nèi)容，而對于虛擬現(xiàn)實環(huán)境來說，模擬左右眼視差所產(chǎn)生的立體化虛擬環(huán)境則能夠極大提升用戶的真實感體驗，而這也成為各種虛擬現(xiàn)實眼鏡和虛擬現(xiàn)實頭盔的技術(shù)基礎(chǔ)。在這個融合的過程中，音視頻、圖文、動畫等媒體形態(tài)乃至更多的用戶體驗也在電影或互動式虛擬空間里融為一體。

如今立體影像無論在影視還是游戲領(lǐng)域都有了長足的發(fā)展，尤其自從阿凡達(dá)以來，立體播放設(shè)備門檻一再降低，易用性和可用性越來越高的同時，畫質(zhì)和分辨率不斷提升。

真實視頻影像與虛擬環(huán)境的融合

立體視覺技術(shù)雖然實現(xiàn)了左右眼效果的立體化融合，但其仍然是一種純粹的視覺模擬。而物理世界中太多豐富多彩的信息形態(tài)，增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，使得虛擬世界可以跟真實世界進(jìn)行融合。

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)也被稱為混合現(xiàn)實技術(shù)，它可以將電腦世界里的虛擬信息或三維模型通過三維注冊疊加到現(xiàn)實世界的視頻畫面之上，使得虛擬物體仿佛真的存在與現(xiàn)實世界中一樣，實現(xiàn)一種虛實結(jié)合的效果，并且可以進(jìn)行實時的互動。這種技術(shù)以影像合成的方式將物理世界和虛擬世界融為一體，使得物理世界中的人可以操控虛擬的物體，從而帶給用戶高度真實感的、虛實融合的互動體驗，并且可以強(qiáng)化用戶的認(rèn)知體驗效果。

張燕翔等開發(fā)的增強(qiáng)現(xiàn)實科普作品

人的動作在虛擬世界中的融入

人類通過運動存在于物理世界之中并且與之發(fā)生交互，同時受人類自身能力以及物理世界的約束，我們無法實現(xiàn)許多夢寐以求的運動方式，如飛翔等。而在虛擬世界中，影像是我們了解虛擬世界的重要途徑，這樣一來，通過特定的設(shè)備實現(xiàn)對某些運動方式的體驗，同時借助與之互動的虛擬影像，是我們感覺自己正在某種虛擬世界之中進(jìn)行中夢幻般的運動，就成為一種將物理世界與虛擬世界融合的特別的方式。

Kinect傳感器的成功開發(fā)可以將人的動作捕獲及輸入計算機(jī)，以實現(xiàn)更為復(fù)雜的信息交換，從而使得用戶可以通過手勢或身體動作來操控及與計算機(jī)內(nèi)容進(jìn)行互動，為用戶體驗帶來全新的可能性，進(jìn)一步將人與媒體融合在一起。

而2013年最新出現(xiàn)的一種叫做LeapMotion的技術(shù)更是徹底地將鼠標(biāo)和鍵盤拋開，用戶可以直接用手指高精度地操控計算機(jī)里的虛擬內(nèi)容，使得人與計算機(jī)媒體的關(guān)系達(dá)到一種全新的高度。

傳統(tǒng)的虛擬實境主要是給用戶提供視覺和觸覺上的虛擬體驗，但是卻無法自由自在地運動。VirtuSphere技術(shù)的出現(xiàn)解決了這種需求，在VirtuSphere里，戴上虛擬現(xiàn)實眼鏡的用戶可以在任意方向行走、跑、跳、爬，并且球面自身的反向運動使得用戶可以一直運動下去，從而獲得跑了非常遙遠(yuǎn)的距離的感覺——但他實際上還是呆在老地方。

像鳥一樣飛，這是上千年以來無數(shù)人的夢想，雖然飛機(jī)的發(fā)明使得人類實現(xiàn)了在藍(lán)天翱翔的夢，但是仍然沒有讓人體驗到像鳥一樣飛翔的感覺，Ars Electronica 2003電子藝術(shù)節(jié)上展現(xiàn)的飛翔機(jī)器使得人們穿上數(shù)據(jù)衣服之后，可以感受一下自由飛翔的快感。

物理信息與虛擬世界的融合

現(xiàn)今的計算機(jī)技術(shù)借助各種傳感器技術(shù)的幫助已經(jīng)可以為用戶帶來更豐富的感知體驗，對于存在于物理世界中的用戶而言，物理世界中的各種現(xiàn)實事物帶給用戶的感知體驗是計算機(jī)虛擬世界帶給用戶的體驗所不能取代的，信息物理融合技術(shù)的發(fā)展使得用戶的真實世界可以跟原本只存在于計算機(jī)內(nèi)部的虛擬世界無縫地融合在一起，實現(xiàn)了一種新穎的人機(jī)物理交互仿真，打破了計算機(jī)界面的局限性，但是在一定程度上仍然依賴于計算機(jī)界面的存在。而借助各類傳感器技術(shù)將物理世界的信息融入互動媒體技術(shù)，則將能夠為用戶的感知系統(tǒng)帶來由內(nèi)而外、全方位深層次的立體化體驗。這無疑將為虛擬現(xiàn)實媒體結(jié)構(gòu)功能的創(chuàng)新發(fā)展創(chuàng)造出前所未有的形態(tài)空間。

MIT 媒體實驗室可接觸媒體團(tuán)隊的Jinha Lee等制開發(fā)的ZeroN，實現(xiàn)了基于計算機(jī)控制的用戶與真實物品的交互。其核心是一個受計算機(jī)系統(tǒng)控制的電磁場。這個電磁場可以將金屬小球懸浮其中，并且用戶能夠通過操控這個金屬小球與虛擬環(huán)境里的數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行互動，如模擬行星環(huán)繞恒星的運動，或者模擬3D環(huán)境下攝像機(jī)的位置，用戶可以通過親手移動小球來改變虛擬攝像機(jī)以實時調(diào)整攝像機(jī)視圖的效果。

人際互動在虛擬空間里的延伸

隨著計算機(jī)三維圖形技術(shù)的發(fā)展，物理世界中的人在三維虛擬空間中的協(xié)同也成為可能性。在三維虛擬空間里的協(xié)同將有更多的自由度，參與者可以使用三維模型來構(gòu)建自己的世界，而協(xié)同的方式也比二維畫面繪制中的協(xié)同機(jī)制要靈活得多，比如有幾個參與者協(xié)同完成一個虛擬建筑，那么每個參與者都有可能添加或者更換其中的部件，或者修改這些部件的局部造型，材料外觀等等。

在Second Life中，每個人都可以定制一個自己的虛擬形象，并且在這個環(huán)境中所遇到的其他虛擬形象也都意味著一個坐在電腦跟前的真實的人，而Second Life中已經(jīng)繁衍出諸多社會經(jīng)濟(jì)活動∶本田發(fā)售Second Life版本的轎車，IBM在Second Life里面召開跨國會議，而這個世界里的虛擬貨幣竟然可以跟美元實時兌換。

而MIT 媒體實驗室可接觸媒體團(tuán)隊的Shunichi Kasahara、Valentin Heun、Austin S. Lee、Hiroshi Ishii等人開發(fā)創(chuàng)作的《Second Surface》則是一個基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的多用戶空間協(xié)同系統(tǒng)，作品將現(xiàn)實環(huán)境中特定物體的表面作為不同用戶進(jìn)行互動的參照物，采用基于iPad的app對這些參照物進(jìn)行識別，并且不同用戶可以在iPad上進(jìn)行任意的涂鴉手繪然后借助服務(wù)器將涂鴉的結(jié)果虛擬地“存放”疊加到當(dāng)前參照物所在的空間，當(dāng)用戶使用iPad攝像頭對著相應(yīng)參照物的時候，增強(qiáng)現(xiàn)實app會連接到服務(wù)器上，其它用戶在此處繪制的虛擬涂鴉將通過增強(qiáng)現(xiàn)實融合在現(xiàn)實空間畫面的相應(yīng)位置，于是多個不同用戶的涂鴉將可以在相同的現(xiàn)實空間中以虛擬的方式進(jìn)行融合。

（作者單位為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播系）