什么是VR虛擬現(xiàn)實技術？AR、VR 區(qū)別是什么?

時間：2020-11-03 08:24:50

關鍵字： vr 虛擬現(xiàn)實 ar

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[導讀]隨著社會生產(chǎn)力和科學技術的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對VR技術的需求日益旺盛。VR技術也取得了巨大進步，并逐步成為一個新的科學技術領域。

隨著社會生產(chǎn)力和科學技術的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對VR技術的需求日益旺盛。VR技術也取得了巨大進步，并逐步成為一個新的科學技術領域。

虛擬現(xiàn)實技術(英文名稱：Virtual Reality，縮寫為VR)，又稱靈境技術，是20世紀發(fā)展起來的一項全新的實用技術。虛擬現(xiàn)實技術囊括計算機、電子信息、仿真技術于一體，其基本實現(xiàn)方式是計算機模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。

所謂虛擬現(xiàn)實，顧名思義，就是虛擬和現(xiàn)實相互結合。從理論上來講，虛擬現(xiàn)實技術(VR)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，使用戶沉浸到該環(huán)境中。虛擬現(xiàn)實技術就是利用現(xiàn)實生活中的數(shù)據(jù)，通過計算機技術產(chǎn)生的電子信號，將其與各種輸出設備結合使其轉化為能夠讓人們感受到的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可以是現(xiàn)實中真真切切的物體，也可以是我們?nèi)庋鬯床坏降奈镔|(zhì)，通過三維模型表現(xiàn)出來。

因為這些現(xiàn)象不是我們直接所能看到的，而是通過計算機技術模擬出來的現(xiàn)實中的世界，故稱為虛擬現(xiàn)實。

同時，虛擬現(xiàn)實具有一切人類所擁有的感知功能，比如聽覺、視覺、觸覺、味覺、嗅覺等感知系統(tǒng)。

最后，它具有超強的仿真系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了人機交互，使人在操作過程中，可以隨意操作并且得到環(huán)境最真實的反饋。正是虛擬現(xiàn)實技術的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了許多人的喜愛。

一、VR發(fā)展歷史

1、第一階段(1963年以前)有聲形動態(tài)的模擬是蘊涵虛擬現(xiàn)實思想的階段

1929年，Edward Link設計出用于訓練飛行員的模擬器;1956年，Morton Heilig開發(fā)出多通道仿真體驗系統(tǒng)Sensorama。

2、第二階段(1963—1972)虛擬現(xiàn)實萌芽階段

1965年，Ivan Sutherland發(fā)表論文“UltimateDisplay”(終極的顯示);1968年，Ivan Sutherland研制成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器(HMD);1972年，NolanBushell開發(fā)出第一個交互式電子游戲Pong。

3、第三階段(1973—1989)虛擬現(xiàn)實概念的產(chǎn)生和理論初步形成階段

1977年，Dan Sandin等研制出數(shù)據(jù)手套SayreGlove;1984年，NASA AMES研究中心開發(fā)出用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器;1984年，VPL公司的JaronLanier首次提出“虛擬現(xiàn)實”的概念;1987年，JimHumphries設計了雙目全方位監(jiān)視器(BOOM)的最早原型。

4、第四階段(1990年至今)虛擬現(xiàn)實理論進一步的完善和應用階段

1990年，提出VR技術包括三維圖形生成技術、多傳感器交互技術和高分辨率顯示技術;VPL公司開發(fā)出第一套傳感手套“DataGloves”，第一套HMD“EyePhoncs”;21世紀以來，VR技術高速發(fā)展，軟件開發(fā)系統(tǒng)不斷完善，有代表性的如MultiGen Vega、Open Scene Graph、Virtools等。

二、什么是 VR 的核心準則?

如何將事物更全面、更真實、更廉價的呈現(xiàn)在人類感知中，始終是促進人類表達的歷史的主要動力，為此我們發(fā)明了文字和繪畫。隨著技術的進步，電子科技再一次承載了這一夢想，同時也永久性的改變了人類表達的習慣。通過繪制技術的提升，我們不單單可以呈現(xiàn)表現(xiàn)自然，甚至可以在繪畫中增加自己的情感。對于繪畫的接受者來說，「重現(xiàn)」只是內(nèi)容呈現(xiàn)的基礎，引起生理和心理的共鳴才是最大的需求，「沉溺」很好的表達了這種需求的正當性。

無論是 17 世紀的的全景畫還是越來越逼真的電子游戲，技術始終從各個方面推動了人類的表現(xiàn)能力，當技術達到了人類對世界的感官認識的最低要求的時候，虛擬現(xiàn)實——VR 就出現(xiàn)了。所以 VR 的核心準則就是：使用技術手段，盡可能地滿足人類的感官，最終達到甚至超越人在自然世界的感官效果。這種感官認識能力是人作為一個完整的接收設備，對自然的認識能力，包括了視覺、聽覺甚至整個身體的感受能力。

三、AR、VR 的區(qū)別是什么?

目前來說 VR 產(chǎn)業(yè)指的是虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)，通過頭戴顯示器和交互設備將用戶和現(xiàn)實割裂開來，讓用戶在虛擬世界中可以獲得一個獨立的完整的體驗。

而 AR(現(xiàn)實增強)的核心內(nèi)涵是現(xiàn)實和數(shù)據(jù)的疊加。即是讓用戶在現(xiàn)實世界使用設備保持觀察現(xiàn)實世界的同時，對現(xiàn)實進行標記，并對標記內(nèi)容增加數(shù)據(jù)展示、視頻播放和可互動內(nèi)容展示，并通過計算視覺(攝像頭)、手柄等設備在真實世界中，獲得服務或進行游戲。AR 對于用戶來說就是視覺在現(xiàn)實世界的增強。通過 AR 設備，將現(xiàn)實世界網(wǎng)絡化服務化。AR 產(chǎn)品一般分為反射式和視頻式，長期作為軍用設備被廣大愛好者所熟知。

視頻式可以看做 AR 設備和 VR 設備的一次整合，這類設備一般使用近距離顯示設備展示信息，用外置攝像頭采集信息。

當然如果 VR 產(chǎn)業(yè)能茁壯成長的話，那么我認為未來還會有另一層面含義的 VR+AR 的模式，即是機器人為介質(zhì)的整合，這個將在未來的篇幅中進行討論。

MR 即所謂的混合顯示是我不建議使用的詞匯，因為凡是 MR 的模式，首先必然是 AR 模式的，這個詞更多的是一種狀態(tài)的描述，當用戶使用 AR 設備時，必然將數(shù)據(jù)服務和現(xiàn)實世界的現(xiàn)實進行了疊加，即是 MR 形態(tài)。所以，把 MR 作為一種獨立的形態(tài)來提出是不合時宜的。

四、從定位分析如何實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實

目前行業(yè)中存在以下幾種 VR 硬件產(chǎn)品：

手機 VR 產(chǎn)品

頭戴顯示器(PC 或者主機)VR 產(chǎn)品

基于空間定位的大型 VR 設備

簡單來說，目前并沒有成熟的交互解決方案，所有的廠商只能使用某種勉強能進行的交互手段來支持 VR 內(nèi)容的互動，例如：媒體化 VR 方案、通過定位實現(xiàn)的 VR 游戲房、通過某種跑步機實現(xiàn)的固定位置互動的 VR 方案。

我們先從產(chǎn)品，服務定位，再到商業(yè)模式諸方面來對行業(yè)進行分析。

手機 VR(Moblie VR)：

因為 VR 產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)和智能手機產(chǎn)業(yè)有非常密切的關系，所以當 Google 拿出紙盒 VR 的解決方案的時候技術幾乎是理所應當?shù)摹Ｔ谌峭瞥隽? GearVR 之后，這種設備從設計和功能角度來說已經(jīng)達到了難以改進的地步。同時為同類的手機廠商提供了完美的產(chǎn)品解決方案樣板。這種設備將手機作為 VR 的顯示設備、頭部捕捉設備和計算中心同時在外部提供一個觸摸板和固定按鈕作為操作區(qū)域。這樣做最大的好處是，通過市場上符合需求的手機的巨大保有量，可以用過非常低廉的手段為廣大的用戶提供 VR 設備。尤其在國內(nèi)廠商的參與下，手機 VR 的今年的出貨量很有可能達到一個很高的數(shù)字。如果有好的商業(yè)模式支撐，可以為 VR 設帶來巨大的普及。

但是這類設備的核心問題是缺乏真正的有效的交互手段，如果只通過外殼上的觸摸區(qū)域和按鈕，那么只能對一些低頻次的操作，例如界面切換、層級切換、文本閱讀、圖片瀏覽等進行處理。同時單手多次操作會導致手臂肌肉疲勞，例如手肘位置在站立、不標準的坐姿下會缺乏支撐。雖然是基于手機的設備，但是對于用戶來說，在戶外使用這類全封閉的設備有非常高的不確定性，甚至可以說是安全隱患。如果使用藍牙支持的外接手柄或其他設備，且不討論是否會造成需要多次消費印象，如果在虛擬場景內(nèi)高速移動，目前的案例都顯示，會在使用中伴隨強烈的眩暈。

所以如果針對手機類型的 VR 顯示設備制作應用或服務的，是應該考慮在室內(nèi)固定位置使用的，同時盡量減少操作頻次。同時考慮到手機作為溝通工具的本質(zhì)，在使用中經(jīng)常會出現(xiàn)其他服務的提醒，所以應該提供使用時間上盡量短的應用。目前來看，展示類和媒體類的產(chǎn)品形態(tài)是最符合這種低互動操作。例如直播類產(chǎn)品。在手機 VR 平臺上，各種服務都只能很少甚至不能提升原有服務的體驗，也無法改變原有商業(yè)模式，所以只能作為一種新奇的補充。為未來基于手機視頻 AR(增強現(xiàn)實)提供技術積累。

綜上，目前的手機 VR 平臺，是一個輕交互、服務模式單一，平臺服務復雜，以體驗為主的平臺。在這種情況下，這個平臺肯定難以作為支撐起引導技術革命的基礎。

頭戴顯示器 VR 產(chǎn)品(VR Headset)：

這類產(chǎn)品指的是以 Oculus、HTC Vive、和 PS VR 為代表性的一類產(chǎn)品，這類產(chǎn)品的典型特征是沒有獨立的計算中心，屏幕不可拆離。這類產(chǎn)品普遍具備更高分辨率的顯示效果、更精確的位置追蹤效果，同時他們的計算設備主要是通過線材連接的主機或電腦。從頭戴顯示器的角度來說，他們比手機 VR 設備擁有更高的技術含量。在這個早期市場中，三個主要的頭戴顯示器 VR 產(chǎn)品都擁有獨立的交互系統(tǒng)、位置最終系統(tǒng)和內(nèi)容服務平臺。

(Oculus CV1)

其中 Oculus 作為頭戴顯示器的開拓者最為大家所熟知，在早期他們幾乎代表了行業(yè)對 VR 未來的全部技術想象。Oculus 的出現(xiàn)也可以看作是智能手機產(chǎn)品的成功，VR 產(chǎn)業(yè)通過智能手機產(chǎn)業(yè)獲得了相對廉價和高清的顯示屏，Oculus 使用的就是三星手機的屏幕，通過兩個目鏡搭建了顯示系統(tǒng)。并且通過陀螺儀傳感器對頭部動作進行捕捉，讓使用者能夠第一次在虛擬世界里面自由觀看，而非手動操控視角，這是一件重要的感官革新。

因為對 PC 平臺的良好支持，在 Oculus 早期的開發(fā)者版本 DK1 出現(xiàn)不久，就實現(xiàn)了非常便捷的對 window 下桌面游戲產(chǎn)品的支持，大量的游戲產(chǎn)品被引入了 VR 世界。早期的 DK1 的分辨率比較低，所以閱讀類和視頻類的 demo 還比較少，這個直到正式發(fā)行的 CV1 才得到了改變。

DK1 在展示 VR 世界的無限可能性時也展示了當前缺乏有效和合理的交互方式的一面。無論是使用鼠標鍵盤、還是手柄、或者 kinect，操作和顯示都徹底分離了，用戶無法同步的進行操作和顯示的設定，總要盲目的進行其中一者。

身體和視覺的分離成為了使用者最直觀的感受，二維時代的鼠標鍵盤對應屏幕的直觀操作系統(tǒng)成為了虛擬世界操作系統(tǒng)的障礙。當然，手柄也沒有好到哪里去，不過手柄的交互邏輯比較簡單，所以反而更加有快捷了，尤其手柄鍵盤將在文字輸入上成為 Xbox One 和 Facebook 唯一的救星，這個又是其他操作設備難以媲美的，不過對于使用者來說，練習盲打操作依舊是必備技能。

隨著 Steam 聯(lián)合 HTC 發(fā)布 Vive，Oculus 聯(lián)合 Facebook 共同維護的 VR 早期市場迎來第一次競爭。同時 Steam 和 HTC 的組合帶來了一個新的趨勢，行業(yè)最大的內(nèi)容發(fā)布商和專業(yè)的硬件設計生產(chǎn)商將帶來怎樣的想象力?這兩個點都是 Oculus 和 Facebook 組合的短板，這種壓力必然促進了 Oculus 和 Xbox 平臺的合作。

Steam 作為 PC 游戲行業(yè)最重要的內(nèi)容發(fā)行商，一直試圖在 PC、游戲機和單機、網(wǎng)絡游戲的模式上進行突破，并發(fā)展了自己的硬件生產(chǎn)規(guī)劃，所以對 VR 市場有非常明確的意圖。并且在早期就保持著 Oculus 的合作，但隨著 Facebook 對 Oculus 的收購而終止了。

但很顯然，Steam 從早期的合作中已經(jīng)非常明顯的感受到了操作帶來的局限性，已經(jīng)成為了進入 VR 世界的主要門檻，所以 HTC Vive 拿出了目前最好的 VR 交互方案-即通過頭盔顯示、延長線鏈接、雙無線手柄和激光系統(tǒng)對用戶和手柄位置進行定位的綜合系統(tǒng)，這套系統(tǒng)最大的價值是人不再作為一個方向的維度(視角和鼠標)、也不是一個缺乏反饋的視覺系統(tǒng)(kinect)，而是第一次作為一個活動整體在 VR 世界中確定了下來。

這種交互模式讓使用者可以在局限的物理空間內(nèi)可以相對自由和無障礙的與虛擬空間進行單向度的互動。之所以說是單向度的，是因為虛擬世界的空間對使用者不構成任何影響，構成影響的是真實空間的邊界。HTC Vive 體現(xiàn)了在它最強大交互方式的影響下，虛擬空間在不再構成敘事的有利元素。

試圖圍繞 HTC Vive 創(chuàng)作的產(chǎn)品，首先需要面對的問題是，他們的操作者首先變成了真實的人，擁有真實的體能和反應。并且是盲目的人站在一堆繩索上揮舞手柄，這對家居環(huán)境構成了極大的挑戰(zhàn)，如果這樣成為主要的未來，那么我們很有可能在很短的時間內(nèi)在宜家看到各種無障礙的標準客廳裝修風格，以及在購買家居的時候「不易磕碰」會成為重要賣點。

基于空間定位的大型 VR 設備：

大型 VR 模式指的是通過空間定位系統(tǒng)和 VR 系統(tǒng)相結合，讓用戶可以在由真實空間承載的虛擬空間中隨意行走，同時虛擬空間的空間物理特征由真實空間的景觀所承載。這樣，就營造了最為真實的虛擬現(xiàn)實可體驗空間。例如在《The Void》中，通過布景搭建，布置了軟體墻體和噴頭霧化等系統(tǒng)，可以和虛擬場景緊密疊加，帶來近乎完美的交互體驗。

五、虛擬現(xiàn)實的關鍵技術主要包括哪里？

1、動態(tài)環(huán)境建模技術

虛擬環(huán)境的建立是VR系統(tǒng)的核心內(nèi)容，目的就是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應用的需要建立相應的虛擬環(huán)境模型。

2、實時三維圖形生成技術

三維圖形的生成技術已經(jīng)較為成熟，那么關鍵就是“實時”生成。為保證實時，至少保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，最好高于30幀/秒。

3、立體顯示和傳感器技術

虛擬現(xiàn)實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術的發(fā)展，現(xiàn)有的設備不能滿足需要，力學和觸覺傳感裝置的研究也有待進一步深入，虛擬現(xiàn)實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高。

4、應用系統(tǒng)開發(fā)工具

虛擬現(xiàn)實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，選擇適當?shù)膽脤ο罂梢源蠓忍岣呱a(chǎn)效率，減輕勞動強度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。想要達到這一目的，則需要研究虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具。

5、系統(tǒng)集成技術

由于VR系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)集成技術起著至關重要的作用，集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數(shù)據(jù)轉換技術、數(shù)據(jù)管理模型、識別與合成技術等。

虛擬現(xiàn)實技術受到了越來越多人的認可，用戶可以在虛擬現(xiàn)實世界體驗到最真實的感受，其模擬環(huán)境的真實性與現(xiàn)實世界難辨真假，讓人有種身臨其境的感覺，相信未來這種技術將會得到大量的應用和推廣。