摘 要：VR與AR技術(shù)的發(fā)展，使人們實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界相互融合與互動(dòng)的夢(mèng)想。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)生，對(duì)傳統(tǒng)的媒體方式進(jìn)行了天翻地覆的改變。文章的主旨是為了解VR與AR技術(shù)并且對(duì)其發(fā)展歷程進(jìn)行分析，從而展開對(duì)其未來發(fā)展前景的推測(cè)。

關(guān)鍵詞：VR與AR技術(shù)；虛擬現(xiàn)實(shí)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；發(fā)展過程；前景展望

近年來，隨著VR與AR技術(shù)的研發(fā)與進(jìn)步，使大家對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的接受程度越來越高。自2014年初Facebook公司以20億美元收購Oculus（虛擬現(xiàn)實(shí)頭帶設(shè)備設(shè)計(jì)與研發(fā)公司）之后，大家的目光都聚焦到這一領(lǐng)域，許多大企業(yè)紛紛加入到硬件開發(fā)及軟件制作的行列里。不到兩年的時(shí)間里，從全景視頻制作、虛擬現(xiàn)實(shí)游戲設(shè)計(jì)、球型攝像機(jī)的研發(fā)、可穿戴式交互產(chǎn)品設(shè)計(jì)等基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而生的產(chǎn)業(yè)鏈穩(wěn)步發(fā)展。

1 什么是VR與AR？

VR是英文Virtual Reality的簡(jiǎn)稱，即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。20世紀(jì)60年代由著名計(jì)算機(jī)科學(xué)家、圖靈獎(jiǎng)獲得者伊萬·薩瑟蘭（Ivan Sutherland）美國提出。VR是一種計(jì)算機(jī)生成的可交互的三維動(dòng)態(tài)效果，將它作為虛擬的背景或環(huán)境，與參與者的實(shí)體行為產(chǎn)生實(shí)時(shí)互動(dòng)的技術(shù)。參與者通過VR設(shè)備，讓虛擬世界的視角與真實(shí)的搖擺、旋轉(zhuǎn)、行走等行為動(dòng)作完全匹配。簡(jiǎn)單的說，就是讓參與者帶上虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備（頭部跟蹤器）、仿真交互手套（手部跟蹤器）、眼睛視向跟蹤器等硬件設(shè)備，通過實(shí)時(shí)性運(yùn)動(dòng)追蹤，同時(shí)在虛擬場(chǎng)景中產(chǎn)生互動(dòng)的行為，從而達(dá)到沉浸式仿真效果。VR一般使用不透光的顯示設(shè)備，用戶不能看到外部世界，完全沉浸于虛擬世界中。

AR是英文Augmented Reality的簡(jiǎn)稱，即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。這種技術(shù)是1990年提出的，其目的為了將真實(shí)的信息與虛擬世界的信息同時(shí)顯示出來。這兩種信息相互補(bǔ)充、疊加，在顯示器里把虛擬世界堆疊在現(xiàn)實(shí)世界中，并進(jìn)行實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度，使虛擬影像與真實(shí)世界產(chǎn)生完全匹配并且實(shí)時(shí)互動(dòng)。AR一般采用透明的設(shè)備或者通過帶有攝像頭的顯示屏。通過這些設(shè)備，用戶可以看到虛擬信息和圖像加載到現(xiàn)實(shí)世界的景象。

2 VR與AR技術(shù)的研究與發(fā)展

1961年，美國Philco公司發(fā)明了頭戴式顯示系統(tǒng)。此系統(tǒng)的原理，是利用了磁鐵的磁效應(yīng)。相機(jī)和測(cè)試者分別設(shè)置于兩個(gè)不同的房間，通過測(cè)試者頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，來調(diào)整與磁鐵相連接的相機(jī)的位置和角度，目的是觀測(cè)另一個(gè)房間的景象。這也是歷史上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)驗(yàn)。

1968年，第一臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)的原型機(jī)問世，這臺(tái)名為“達(dá)摩克利斯之劍”的頭戴式顯示器的發(fā)明者是哈弗大學(xué)電氣工程副教授伊萬·薩瑟蘭——當(dāng)代著名計(jì)算機(jī)科學(xué)家、圖靈獎(jiǎng)獲得者。整套系統(tǒng)能夠?qū)⒍S線圖轉(zhuǎn)換為三維效果的圖像，投射在用戶頭頂?shù)奶旎ò迳?，并通過手動(dòng)操作控制連接桿和頭戴設(shè)備來獲得虛擬影像。

之后，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研發(fā)與進(jìn)步，逐步提高了頭戴式顯示系統(tǒng)交互方面的嘗試和改進(jìn)。最原始的頭戴式顯示系統(tǒng)，用全景的方式觀測(cè)觀看影片或者顯示游戲，卻無法實(shí)現(xiàn)交互功能。這個(gè)顯示器的顯示角度與人眼的視角相似。人眼的視角極限大約為垂直方向150度，水平方向230度，如果屏幕大小接近視角范圍，就會(huì)給人一種身臨其境的感覺。

南加州大學(xué)的工程師帕爾默·拉奇自行設(shè)計(jì)、開發(fā)了幾個(gè)頭戴式設(shè)備的原型機(jī)。后成立了Oculus VR公司。2012年，Oculus發(fā)起了關(guān)于 Rift的眾籌活動(dòng)，最終以眾籌目標(biāo)974%比例獲得243萬美元資金。這個(gè)資金讓Oculus Rift從一個(gè)原型升級(jí)為投入量產(chǎn)的商業(yè)產(chǎn)品。

2014年3月，F(xiàn)acebook以20億美元收購Oculus VR并且建立高水平的軟硬件研發(fā)團(tuán)隊(duì)，為用戶帶來更高水準(zhǔn)的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

隨后，各大公司都對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行投資，其中有谷歌、索尼、HTC、三星等。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，離不開人們對(duì)于某些特定領(lǐng)域的特殊要求。比如軍隊(duì)的模擬作戰(zhàn)訓(xùn)練、航天器模擬訓(xùn)練等等，都對(duì)技術(shù)研發(fā)起到了推動(dòng)性的作用。1961年，美國空軍路易斯·羅森伯格在阿姆斯特朗實(shí)驗(yàn)室中，開發(fā)出對(duì)機(jī)器的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)Virtual Fixtures[1]。隨后，研究方向轉(zhuǎn)至增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，即如何以虛擬圖像疊加至用戶的真實(shí)世界畫面中。

1998年，世界上第一次成功的將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于電視節(jié)目的實(shí)時(shí)直播。美國電視臺(tái)大膽的運(yùn)用了1st Ten系統(tǒng)將橄欖球比賽中可進(jìn)攻區(qū)域用黃色線條標(biāo)注在屏幕上，實(shí)現(xiàn)了電視屏幕上的可視化。

1999年，由奈良先端科學(xué)技術(shù)學(xué)院的加藤弘教授開發(fā)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具ARToolKit——利用C++語言讓編程人員快速編寫增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序庫。開發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序的難點(diǎn)在于如何將實(shí)際發(fā)生中的運(yùn)動(dòng)軌跡與虛擬圖像精確對(duì)齊，并且將虛擬影像實(shí)時(shí)的覆蓋到顯示窗口。利用該系統(tǒng)所提供的快速和準(zhǔn)確的標(biāo)記跟蹤功能，實(shí)現(xiàn)了消費(fèi)級(jí)別增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的可實(shí)踐性。

2005年，開發(fā)者通過將ARToolKit與軟件開發(fā)工具包（SDK）相結(jié)合，利用手機(jī)攝像頭視頻跟蹤功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)計(jì)算攝像頭與真實(shí)環(huán)境中特定標(biāo)志之間的相對(duì)方位。這次實(shí)踐被看作是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的一場(chǎng)技術(shù)革命，標(biāo)志著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)從試驗(yàn)階段過渡到商業(yè)實(shí)踐中去。

2013年4月，谷歌于發(fā)布了谷歌眼鏡。這種AR設(shè)備將信息直接疊加到眼鏡上。

2015年，微軟開發(fā)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡HoloLens。這個(gè)設(shè)備是利用了全系技術(shù)，使眼鏡具備重疊虛擬影像于真實(shí)世界的功能。虛擬的影像只有佩戴者能夠看見，眼鏡會(huì)自動(dòng)根據(jù)佩戴者移動(dòng)的位置以及視線運(yùn)動(dòng)的方向調(diào)整三維虛擬影像的位置及角度，再將實(shí)時(shí)追蹤的影像通傳導(dǎo)進(jìn)眼鏡里。設(shè)備還可以通過動(dòng)作捕捉實(shí)現(xiàn)佩戴者與虛擬物體的互動(dòng)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中都有很多發(fā)展和應(yīng)用。比如：在軍事上采用了AR技術(shù)，將相關(guān)數(shù)據(jù)及導(dǎo)航信息疊加到飛行頭盔中；在醫(yī)療上，通過移動(dòng)終端，將CT掃描結(jié)果疊加到人體不同部位，方便醫(yī)生手術(shù)中隨時(shí)觀測(cè)患者病情；在幼教方面，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)使三維模型與教課書籍等相結(jié)合，利用移動(dòng)終端，讓孩子實(shí)現(xiàn)沉浸式教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量；在娛樂方面，很多公司開發(fā)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲，讓玩家在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中與虛擬的人物互動(dòng)。眾多實(shí)例說明：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)、商業(yè)、教育等研究方面都存在著極大的潛能。

3 VR與AR的前景展望

一組來自美國知名第三方調(diào)研機(jī)構(gòu)Manatt Digital Media和Digi-Capital投資銀行于2015年年中發(fā)布的數(shù)據(jù)中指出，根據(jù)目前市場(chǎng)的預(yù)測(cè)，全球虛擬現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)規(guī)模將于2020年達(dá)到1500億美元。將會(huì)有更多的相關(guān)硬件及程序得以開發(fā)。目前所面臨的技術(shù)難點(diǎn)在進(jìn)一步研發(fā)中，應(yīng)該可以得到優(yōu)化。

在硬件方面，有以下幾個(gè)有待解決的問題：

（1）設(shè)備的重量以及佩戴舒適度不佳

Oculus Rift DK2 的凈重為453克，如果加上數(shù)據(jù)線、電源接線等其他的輔助設(shè)備，重量可觀。

（2）設(shè)備追蹤系統(tǒng)的精確度不高

虛擬設(shè)備目前還需要加入其他的輔助設(shè)備完成精確度的提高。Oculus Rift DK2 就在面板上加裝了紅外標(biāo)記點(diǎn)，配合紅外攝像頭才能實(shí)現(xiàn)“位置追蹤功能”。

（3）物理運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的眩暈感

人眼通過兩套系統(tǒng)來感知深度信息，一是兩眼視差，二是不同距離下人眼晶狀體的變形程度。視覺所感受到的運(yùn)動(dòng)信息與身體所感受到的運(yùn)動(dòng)信息的差異亦是眩暈感的重要原因。

（4）設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)無線操作

目前VR頭戴式顯示器都是以有線方式接主機(jī)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)拉扯、動(dòng)作受限等缺點(diǎn)。無線傳輸、電池技術(shù)還需改進(jìn)。

（5）設(shè)備的顯示精確度不高

Oculus Rift DK2，單目分辨率為960×1080 像素，雙眼合起來是1920高清標(biāo)準(zhǔn)。4K的清晰度在短時(shí)間內(nèi)無法達(dá)到。

4 結(jié)束語

隨著VR與AR技術(shù)新的交互方式的研發(fā)：比如手勢(shì)識(shí)別、視網(wǎng)膜識(shí)別等。虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)更加完善，這些技術(shù)將會(huì)在不同應(yīng)用領(lǐng)域帶來全新的體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]諾爾，邁克爾（1998年09月21日），桌面指紋[Z].福布斯，檢索22，2014，4.

[2]羅森伯格·L·B.虛擬設(shè)備感知覆蓋提高遠(yuǎn)程環(huán)境操作使用性能[R].技術(shù)報(bào)告al-tr-0089，美國空軍阿姆斯壯實(shí)驗(yàn)室，萊特帕特森空軍基地，1992.

作者簡(jiǎn)介：董璐茜（1982，2-），女，漢族，陜西西安，西安美術(shù)學(xué)院，雙碩士（英國），助教，研究方向：數(shù)字特效、數(shù)字交互、視覺傳達(dá)。