第一堂課 虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展概況

一、概念解析

虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality, VR；又譯作靈境）技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，最早源于美國(guó)軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)這一名詞是由美國(guó)VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（Jaron Lanier）在80年代初提出的，虛擬現(xiàn)實(shí)中的“現(xiàn)實(shí)”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，它可以是實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的，也可以是實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)的或根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。而“虛擬”是指用計(jì)算機(jī)生成的意思。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)是指用計(jì)算機(jī)生成的一種特殊環(huán)境，人可以通過(guò)使用各種特殊裝置“進(jìn)入”這個(gè)環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境，實(shí)現(xiàn)特殊目的，即人是這種環(huán)境的主宰。

VR主要有三方面的含義：

第一，虛擬現(xiàn)實(shí)是借助計(jì)算機(jī)生成逼真的實(shí)體，“實(shí)體”是對(duì)于人的感覺(jué)（視、聽(tīng)、觸、嗅）而言的。

第二，用戶可以通過(guò)人的自然技能與這個(gè)環(huán)境交互，自然技能是指人的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)、眼動(dòng)、手勢(shì)等其他人體的動(dòng)作。

第三，虛擬現(xiàn)實(shí)往往要借助于一些三維設(shè)備和傳感設(shè)備來(lái)完成交互操作。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模式識(shí)別、人機(jī)工程、電子學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、機(jī)械和生理學(xué)等自然學(xué)科和技術(shù)學(xué)科，它用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽(tīng)、嗅覺(jué)等感覺(jué)，使人作為參與者通過(guò)適當(dāng)裝置，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等多種感覺(jué)通道自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互。虛擬現(xiàn)實(shí)的原理如圖1-1所示。

在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)的概念。其中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality, AR）是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息合成到用戶感知的真實(shí)世界中的一種技術(shù)，利用實(shí)時(shí)計(jì)算攝影機(jī)影像位置及角度，通過(guò)全息投影，在鏡片的顯示屏幕中將虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界疊加，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的增加和強(qiáng)化?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)（Mixed Reality, MR）是指結(jié)合真實(shí)和虛擬世界創(chuàng)造新的環(huán)境和可視化三維世界，物理實(shí)體和數(shù)字對(duì)象共存、并實(shí)時(shí)相互作用，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。從概念來(lái)看，AR和MR并沒(méi)有明顯的分界線，都是將虛擬的景物放入現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景中。在AR的視界中，出現(xiàn)的虛擬場(chǎng)景通常都是一些二維平面信息，這些信息甚至可能和我們目前看到的事物無(wú)關(guān)，功能只是在不影響我們正常視線的情況下起到提示的作用，所以這些信息會(huì)固定在那里，無(wú)論我們看哪個(gè)方向，該信息都會(huì)顯示在視野中這個(gè)固定的位置上。而MR則是將虛擬場(chǎng)景和現(xiàn)實(shí)融合在一起，只有我們看向那個(gè)方向的時(shí)候，才會(huì)看到這些虛擬場(chǎng)景，看向其他方向時(shí)就會(huì)有其他的信息顯示出來(lái)，而且這些信息和背景的融合性更強(qiáng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，虛擬信息如果跟隨視線移動(dòng)就是AR，如果想對(duì)于真實(shí)物品固定的就是MR。

盡管VR、AR、MR都涉及虛擬成像，但三者還是存在一些本質(zhì)上的區(qū)別：

（1）表現(xiàn)特征和側(cè)重點(diǎn)不同。VR以想象為特征，創(chuàng)造與用戶交互的虛擬世界場(chǎng)景，把人從精神上送到一個(gè)虛擬世界，重在“以假亂真”，AR以虛實(shí)結(jié)合為特征，將虛擬物體、信息和真實(shí)世界疊加，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)的增強(qiáng)，在現(xiàn)實(shí)世界里更好地導(dǎo)航，重在“亦真亦假”。MR則是以虛擬物體和真實(shí)物體交互為特征，共存現(xiàn)實(shí)和虛擬世界融合而產(chǎn)生的新的可視化環(huán)境，重在“真假不分”。

（2）與現(xiàn)實(shí)世界的關(guān)系不同。VR通過(guò)產(chǎn)生虛擬影像，將人眼與真實(shí)世界遮斷。相比虛擬現(xiàn)實(shí)，AR通過(guò)疊加虛擬的影像，與真實(shí)世界的聯(lián)系并未切斷。MR使物理和數(shù)字對(duì)象共存于新的可視化環(huán)境，并實(shí)時(shí)互動(dòng)，使交互方式更加自然。

（3）技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式不同。VR的視覺(jué)呈現(xiàn)方式是阻斷人眼與現(xiàn)實(shí)世界的連接，通過(guò)設(shè)備實(shí)時(shí)渲染的畫(huà)面，營(yíng)造出一個(gè)全新的世界。AR的視覺(jué)呈現(xiàn)方式是在人眼與現(xiàn)實(shí)世界連接的情況下，疊加全息影像，加強(qiáng)其視覺(jué)呈現(xiàn)的方式。MR是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該技術(shù)在虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和用戶之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感。

圖1-2顯示了VR、AR和MR之間的關(guān)系。