虚拟与增强现实技术

雷卓石

摘 要：虚拟与混合现实技术在当今是应用在各种领域中的技术并且将会被应用在更多的领域。这篇文章将带领我们探索它的起源以及进化过程。我们将从一些重要技术的发展开始， 例如视线追踪以及手势识别以及它们在现实中的应用，并将逐一介绍它们的发展以及现状。我们同时也将介绍一个类似的技术——增强现实。我们同时也将介绍现在市场上流行的商品。最后，我们还将讨论虚拟现实技术发展目前遇到的瓶颈、可能的发展方向和未来的应用。

关键词：虚拟 增强 技术

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（c）-0150-02

虚拟现实技术（VR）和增强现实技术（AR）最近几年变得越来越热门。早些时候其中一个增强现实的热门应用——AR地图，使用户能够实时看到叠加在地图上的有效信息。虚拟现实在过去几十年里则是在娱乐与游戏行业得到了极大的发展（例如索尼的PlayStation）。增强现实技术也应用到了游戏行业，例如，在2016最热门的游戏之一Pokemon GO。在最近的科技产品谷歌眼镜中，我们也能见到AR的身影。这篇文章将同时对增强现实技术、虚拟现实技术以及混合现实技术的历史与发展进行介绍与对关键技术的说明。

1 运用在AR、VR和MR上的核心技术

一些涉及AR、VR和MR应用的重要技术在过去40～50年间高速发展。这些技术主要来自计算机视觉的核心领域。 视线跟踪是其中一种的技术。它可以帮助电脑跟踪用户关注的位置。另一个重要的技术是手势识别，这有助于用户创造更多的操作组合并使用户与电脑交互更容易、更直观。

2 视线追踪

视线跟踪是一种使用摄像头跟踪用户目光的技术，反映了他们的注意力和需求。这个技术的基础是找到瞳孔凝视的位置。在介绍一些技术细节之前，我们将研究一下两个关键术语。第一个叫作注视线（LoG），它是光线通过瞳孔中心的那条水平线。另一个被命名为视线（LoS），这是从视网膜中心凹陷处到瞳孔中心的线。在视线跟踪期间，我们需要注重视线而不是注视线因为是视线决定了一个人的视觉注意力，因为视网膜中心凹陷处集中了大量感光细胞，负责感知事物的细节。现有系统有一个问题它们需要复杂和繁重的校准。

对于因眼睛的测量变化而言并不完美，因为不同人的眼球结构差异以及视网膜中心凹陷处定位很困难。此外，有些公司使用侵入式设备来实现眼睛注视轨迹的目标的高精度，且需要限制头部运动，使用户感到不舒服。为了解决这个问题，一个名叫FreeGaze的新技术是由工程师用来实现远程视线跟踪。解决了现有技术的问题，FreeGaze每次校对只需要两个点，而且一旦对单一用户校对完成，之后不再需要校准，对日常使用非常方便。

自由注视总共有5个步骤：（1）首先我们用红外摄像头来捕捉眼球图像。（2）然后生成一个小方形为了降噪并且方便处理。这个图像会被分成若干个小图像，然后对每个像素点进行计算生成不同区域。（3）第三布是侦测瞳孔位置。相邻的像素点将被一一对比，使瞳孔区域与眼球其他区域能被区分开，减少如眼镜架等外物的干扰。（4）重复执行步骤二与步骤三直到瞳孔被完整侦测出来，或系统判定该区域没有瞳孔。接着对瞳孔边缘进行精细化处理，消除由睫毛、眼睑等引起的可能的噪音。（5）最后一步叫Purkinje图像检测，用于检索瞳孔中心。检测到瞳孔中心之后，视线追踪就算完成了。

3 混合现实

3.1 增强现实

增强现实是一种允许用户在现实中与虚拟世界互动的技术。通过传感器将气味、声音等数据转换为数字信号，再通过计算机处理并通过可穿戴设备如Google Glass叠加到现实世界中，使用户获得更多信息。例如，Google Earth可以让您浏览地球每个角落并提供有用的信息，如城市地标和城市的历史。增强现实不仅可以执行现实世界的信息，还可以在用户面前添加虚拟信息。虚拟现实和增强现实的区别是，虚拟现实企图将虚拟世界转变为现实；相反，增强现实则是企图把现实变成虚拟世界。增强现实需要一些基本成分来实现，如输入设备（通常是摄像头和麦克风）、处理器和显示屏。其中一个著名的增强现实应用是HUD，被称为平视显示器。它的名字来自在现代飞机上使用的平视显示器飞行员侧重于前视，防止他们因为频繁观察仪器台造成的频繁头部运动引起的头晕。通过在穿戴式设备中应用HUD技术，它可以为用户投影所有用户需要的信息，使用户的生活更加便利。例如，在汽车上应用HUD，可以显示行驶方向，即将到来的景点和前方的路况。增强现实可以在很多方面应用。

3.2 虚拟增强

与增强现实不同，增强虚拟可以提供进一步沉浸式用户体验。用户体验虚拟世界时，一些现实世界的信息将会输入，使你感觉你正处于“现实世界”，4维电影可以提供一个虚拟的世界，但是人物和气味的模拟以及触感总是为观众创造沉浸式体验。

4 虚拟与增强现实

现在在市场上有很多虚拟和混合现实产品。接下来将会介绍它们中的一部分。

（1）Hololens。作为微软第一台无线全息计算机设备，Hololens提供给用户全新的体验。它将3D内容投射到现实世界中并允许用户使用视线、手势甚至语音与这些3D内容交互。对于每个用户，Hololens可以提供一个允许让您设计一个与现实世界完全不同的数字世界并与您的数字世界互动。您还可以通过使用Skype与您的朋友分享合作将您的成果可视化。

（2）PlayStation VR。PlayStation VR是一款虚拟现实头戴设备，专为PlayStation4家庭视频游戏级而设计。它可以由DualShock 4控制器或PlayStation Move控制器控制。不像其他头戴设备，PlayStation VR只需要一个PS4控制台为平台和一个摄像头用于定位，所以PlayStation VR的价格是实惠的。另外，大多数VR设备使用两个摄像头跟踪，而PlayStation只使用一个摄像头就可以提供非常高的准确性。然而，使用一个摄像头会导致一个问题，如果你移动的过远就会收到提醒。

5 结语

虚拟现实技术从Sensorama的问世再到HTC Vive或PSVR的出现进化了许多。诸如屏幕分辨率提高、凝视跟踪技术、手势识别等创新技术已经导致人机交互更加无缝。这使得产品更直观易用。但是，还有一些问题仍然需要进行评估和解决。电线和电源的问题仍然需要大量的工作。也许在未来，我们可以看到VR和混合现实设备的两个不同的终极版本。一个是完全无线穿戴式设备，具有足够的电源长时间工作。它的尺寸可以很小，足以附加到我们的瞳孔上。另一种是完全身临其境的VR设备，可以消除物理限制，为用户提供完整的数字世界。那就是我希望VR技术向前迈进的方向。

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