虚拟现实与增强现实

Posted 2022-12-28 沈子恒

1.虚拟现实概论（Virtual Reality，VR）

虚拟现实技术以计算机技术为基础，综合了计算机、传感器、图形图像、通信、测控多媒体、人工智能等多种技术，通过给用户同时提供视觉、触觉、听觉等感官信息，使用户如同亲历其境一般。借助于计算机系统，用户可以生成一个自定义的三维空间。用户置身于该环境中，借助轻便的跟踪器、传感器、显示器等多维输入输出设备，去感知和研究客观世界。在虚拟环境中，用户可以自由运动，随意观察周围事物并随时添加所需信息。借助于虚拟现实，用户可以突破时空域的限制，优化自身的感官感受，极大地提高了对客观世界的认识水平。
  虚拟现实有交互性（Interaction）、沉浸性（Immersion）和想象性(Imagination)三大特点，也被称为 3I 特点。借助 3I 特点，通常可以将虚拟现实技术和可视化技术、仿真技术、多媒体技术和计算机图形图像等技术相区别。交互性是指用户与模拟仿真出来的虚拟现实系统之间可以进行沟通和交流。由于虚拟场景是对真实场景的完整模拟，因此可以得到与真实场景相同的响应。用户在真实世界中任何操作，均可以在虚拟环境中完整体现。例如，用户可以抓取场景中的虚拟物体，这时不仅手有触摸感，同时还能感觉到物体的重量、温度等信息。沉浸性是指用户在虚拟环境与真实环境中感受的真实程度。从用户角度讲，虚拟现实技术的发展过程就是提高沉浸性的过程。理想的虚拟现实技术，应该使用户真假难辨，甚至超越真实，获得比真实环境中更逼真的视觉、嗅觉、听觉等感官体验。想象性则是身处虚拟场景中的用户，利用场景提供的多维信息，发挥主观能动性，依靠自己的学习能力在更大范围内获取知识。 随着相关技术的发展，虚拟现实技术也日趋成熟，这种更接近于自然的人机交互方式，大大降低了认知门槛，提高了工作效率。虚拟现实技术已经从过去的军事和航空领域，拓展到建筑设计、产品设计、科学计算可视化、远程服务和娱乐等众多民用领域，尤其在手术导航和城市规划方面有非常重要的应用。临床上使用的外科手术导航系统，大部分都是采用虚拟现实技术，为医生提供了病灶部位的虚拟影像和计算机生成的其他辅助信号，医生通过计算机和其他设备实时得到视觉、触觉、听觉信息，为手术选择合适路径。作为一种全新的信息处理方式，虚拟现实技术给人类带来全新的生活体验。

2.增强现实技术概论（Augment Reality，AR）

增强现实技术，也被称为混合现实技术(Mixed Reality，MR)，是伴随着计算机水平的提高而发展来的一门新技术。它以计算机为工具，将人为构建的辅助型虚拟信息应用到真实世界，使虚拟的物体信息和真实的环境信息相叠加到同一个画面或空间，同时呈递给用户被用户感知，获得比真实世界更丰富的信息。增强现实由虚拟现实发展而来。 增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上，于上世纪 90 年代初兴起的。它也是一种以计算机技术为基础的人机交互技术，但与虚拟现实不同，增强现实技术是要在真实场景中添加计算机虚拟产生的物体信息，达到“虚实融合”的效果，提高用户对真实世界的感知能力。增强现实技术借助于多种设备，如光学透视式头盔显示器（SHMD）或不同成像原理的立体眼镜等，使虚拟得到的物体叠加到真实场景中，同时出现在用户的视场中。用户在不丢失真实场景信息的前提下，可以获得虚拟物体的信息并与之交互。相比于虚拟现实，增强现实技术系统的实现要更复杂，因此对相关技术要求更高，除了计算机技术、通信技术、人机界面、传感器、移动计算、分布式计算、计算机网络、信息可视化等技术之外，还对心理学、人机工程学等有比较高的要求。增强现实系统通过分析大量数据获取场景中各种位置信息，以便将计算机生成的虚拟物体以合适的姿态精确地定位到真实场景中特定位置。构建增强现实系统一般包括四个基本步骤： （1）利用摄像机获取真实场景信息； （2）建立不同坐标系之间关系，对真实场景与摄像机相关位置信息进行数据分析； （3）利用计算机生成所需虚拟物体； （4 ）将虚拟物体和真实场景在显示器中进行显示。建立一个增强现实 系统的原理如图  所示。增强现实系统中，成像设备、交互技术、跟踪与定 位技术被称为三大支撑技术。  

增强现实系统借助于多种显示设备来显示真实场景和虚拟物体叠加后的图像，如 S-HMD。S-HMD 使用了一种称为分光器的分光镜，能够将其上部的液晶显示器中的影像反射到用户眼睛中，同时不会妨碍真实环境中的光线穿透进去，于是虚拟物体信息和真实场景信息同时被用户获得，实现了增强现实的效果。虽然这种显示技术原理简单，技术成熟，但由于设备过于笨重，佩戴后不舒适，因此实际中更多使用其他商业化的显示系统。为了实现虚拟物体和真实场景的完美融合，必须要确定虚拟物体与真实场景融合后的准确位置。跟踪定位系统便是要实时监测场景中观察者位置和姿态、观察方向和运动状态，以观察者视场为基准建立坐标系，通过仿射变换得到虚拟物体的正确显示位置。大多数增强现实系统使用视频检测的跟踪定位方式，即识别视频中的特定标志点，根据不同标志点的位置信息计算获得整个场景的位置信息。视频检测的方式定位精度高，不再需要其他设备，是目前增强现实技术研究的一大热点。由于在现实世界中与虚拟信息交互比较困难，大多数的增强现实系统依然在使用菜单的交互方式。
 增强现实系统采用了部分与虚拟现实相似的技术，但是两者也有显著的差异：虚拟现实是用虚拟场景代替真实场景，而增强现实则是以真实场景为背景，加入虚拟信息作为补充。用户与真实场景交互的同时，计算机可以收集到真实场景中各种辅助信息。 在医学上，人体的结构解剖数据可经由计算机进行可视化处理，重构出的虚拟影像可以在增强现实系统中实时投影到患者相应位置，医生便可以通过成像设备透过患者表皮看到内部解剖结构，准确定位病灶，提高手术质量。 虚拟现实只是把真实世界展示给用户，而增强现实则是把虚拟世界和真实世界同时展示给用户，实现了虚实结合。它能为人们探索宏观世界和微观世界提供极大的便利，具有很好的经济、社会效益和诱人的发展前景。