VR虛擬現實技術是怎樣沉浸的
虛擬現實(Viaual Reality，簡稱VR)作為一種綜合計算機圖形技術、多媒體技術、傳感器技術、人機交互技術、網絡技術、立體顯示技術以及仿真技術等多種科學技術而發(fā)展起來的計算機領域的新技術，目前所涉及的研究應用領域已經包括軍事、醫(yī)學、心理學、教育、科研、商業(yè)、影視、娛樂、制造業(yè)、工程訓練等。VR技術已經被公認為是21世紀重要的發(fā)展學科以及影響人們生活的重要技術之一。
圖片來源:視覺中國
VR虛擬現實技術
自從計算機發(fā)明以來，計算機一直是傳統(tǒng)信息處理環(huán)境的主體，它只具有在數字化的單維信息空間中處理問題的能力。而事實上，人類是依靠自己的感知和認知能力全方位的獲取知識，是在多維化的信息空間中認識問題。這樣就產生了人類認識問題的認識空間與計算機處理問題的信息空間不一致的矛盾，人類被排斥在計算機為主體的信息處理環(huán)境之外，而且較難以直接理解信息處理工具的處理結果，更難以把人類的感知能力和認知經驗與計算機信息處理環(huán)境直接聯系起來。因此，人們迫切需要突破現有的數字計算機只能處理單純數字信息的限制，建立一個能包容圖像、聲音、化學氣味等多種信息源的信息空間，人們不但可以從外部觀察信息處理的結果，而且能通過視覺、聽覺、嗅覺、口令、手勢等多種形式參與到信息處理環(huán)境中去，這種信息處理環(huán)境被稱為虛擬環(huán)境。虛擬環(huán)境是由計算機生成的，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產生身臨其境感覺的交互式視景仿真。
虛擬現實是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)(其中虛擬世界是全體虛擬環(huán)境的總稱)。通過虛擬現實系統(tǒng)所建立的信息空間，已不再是單純的數字信息空間，而是一個包容多種信息的多維化的信息空間(Cyberspace)，人類的感性認識和理性認識能力都能在這個多維化的信息空間中得到充分的發(fā)揮。
要創(chuàng)建一個能讓參與者具有身臨其境感，具有完善地交互作用能力的虛擬現實系統(tǒng)，在硬件方面，需要高性能的計算機軟硬件和各類先進的傳感器；軟件方面，主要是需要提供一個能產生虛擬環(huán)境的工具集。
虛擬現實技術的特征
VR用三個“I”，“Immersion”、“Interaction”、“Imagination”來說明虛擬現實的特征，即沉浸、交互、想象，三者缺一不可。
1、沉浸性(Immersion)
是指用戶作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實程度。使用者戴上頭盔顯示器和數據手套等交互設備，便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一員。使用者與虛擬環(huán)境中的各種對象的相互作用，就如同在現實世界中的一樣。使用者在虛擬環(huán)境中，一切感覺都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺。
2、交互性(Interaction)
是指用戶對模擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。虛擬現實系統(tǒng)中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標進行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數據手套等傳感設備進行交互。計算機能根據使用者的頭、手、眼、語言及身體的運動，來調整系統(tǒng)呈現的圖像及聲音。使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能，就能對虛擬環(huán)境中的對象進行考察或操作。
3、多感知性(Imagination)。
由于虛擬現實系統(tǒng)中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中通過人機交互，可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而達到身臨其境的感受。研究和開發(fā)VR是為了擴展人類的認知與感知能力，建立和諧的人機環(huán)境。VR技術是人與技術完善的結合，它是計算機圖形學和人-機交互技術發(fā)展之產物，人在整個系統(tǒng)中占有十分重要的地位。利用VR技術的手段，使我們對所研究的對象和環(huán)境獲得“身臨其境”的感受，從而提高人類認知的廣度與深度，拓寬人類認識客觀世界的“認識空間”和“方法空間”，最終達到更本質地反映客觀世界的實質。
沉浸式VR系統(tǒng)
沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數據手套等各種交互設備把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，而使用戶真正成為VR系統(tǒng)內部的一個參與者，并能利用這些交互設備操作和駕馭虛擬環(huán)境，產生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。
沉浸式VR系統(tǒng)的特點
① 高度的沉浸感。
沉浸式VR系統(tǒng)采用多種輸入與輸出設備來營造一個虛擬的世界，并使用戶沉浸于其中，同時還可以使用戶與真實世界完全隔離，不受外面真實世界的影響。
② 高度實時性。
在虛擬世界中要達到與真實世界相同的感覺，如當人運動時，空間位置跟蹤定位設備需及時檢測到，并且經過計算機運算，輸出相應的場景變化，并且這個變化必需是及時的，延遲時間要很小。
圖片來源:網絡
沉浸式VR系統(tǒng)的基本組成
沉浸式VR系統(tǒng)的分類
常見的沉浸式VR系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的VR系統(tǒng)、投影式VR系統(tǒng)、遙在系統(tǒng)。
基于頭盔式顯示器采用頭盔式顯示器或投影式VR系統(tǒng)是或投影式顯示系統(tǒng)來實現完全投入。它把現實世界與之隔離，使參與者從聽覺到視覺都能投入到虛擬環(huán)境中去。
遙在系統(tǒng)是一種遠程控制形式，常用于VR系統(tǒng)與機器人技術相結合的系統(tǒng)。
VR沉浸式技術的發(fā)展趨勢
沉浸式技術正在快速發(fā)展，一定程度上改變了消費者、企業(yè)與數字世界的互動方式。用戶期望更大程度上從2D界面轉移到更身臨其境的3D世界，從3D捕捉更豐富、更平滑的圖景，從3D獲得新的體驗。
在未來五年：3D接口及相關技術環(huán)節(jié)將發(fā)生連續(xù)變化，人工智能有望從2018年開始對沉浸式解決方案產生更大的影響，包括添加個性化元素。
第一：使用3D輸入/出接口取代傳統(tǒng)的平面交互
人工智能和計算機視覺技術的進步將為3D圖像掃描、創(chuàng)建和消費者用戶案例提供更多的價值。預計計算機視覺功能將越來越多地嵌入智能手機和智能終端。亞馬遜最近投資于人體實驗室，用于3D人體模型掃描。一些初創(chuàng)企業(yè)和公司，如Styku和Bodi.me，正在推動3D人體掃描，以實現對衣服的虛擬試穿和健康狀況評估。
空間音頻的進步可以為用戶提供既能將聲音放置在3D環(huán)境中，又能檢測出聲音位置來源的體驗。Google VR音頻系統(tǒng)創(chuàng)建多個虛擬揚聲器來再現聲波?？臻g音頻的進步可以為用戶提供在三維環(huán)境中放置聲音以及探測聲音的位置源的體驗，而DearVR空間連接簡化了集成音頻之間的互動環(huán)境和3D空間渲染。
智能手機廠商的強大投資，為3D深度感知成為智能手機的標配功能開辟了道路。蘋果公司已經將3D深度傳感技術嵌入到新的iphone x中。它使用了Tof深度傳感器。索尼推出了其Xperia xz1系列的3D創(chuàng)建者應用程序，該應用程序通過用單個攝像頭從多個角度拍攝物體或表面來創(chuàng)建3D圖像。Gartner預計，中國、韓國等其他手機大公司將在2018年迅速效仿這一做法。
最近，高通和奇景光電宣布合作，利用結構光模塊（SLIM）3d depthsensing提升Android智能手機的功能；英特爾的RealSense 3D傳感攝像頭解決方案已經嵌入在個人電腦和平板電腦；Windows 10支持的混合PC機中的3D攝像機已用于windows系統(tǒng)進入驗證。
微軟正積極推動3D、混合現實與其全息鏡頭的融合，其Windows 10于2017年10月發(fā)布的更新，提供了許多3D工具，如繪制3D或啟用3D對象到Office。微軟最近收購了社交VR公司altspaceVR。臉譜網推出了它的社交VR平臺臉譜網空間。
在室內使用3D全息廣告平臺正在變得可行，商業(yè)化的供應商如三星、英特爾、國家地理、天空和百事可樂等主要品牌正在加快3D全息圖布局，以提高產品和品牌體驗。隨著廠商不斷提高產品知名度，主流產品的價格不斷降低，相機市場正在發(fā)生變化。像臉譜網這樣的公司通過提供一個平臺來創(chuàng)建和分享虛擬內容，正有效地激發(fā)用戶的興趣。
沉浸式技術的進步，加上人工智能和計算機視覺，將重塑用戶與數字世界、現實世界互動的未來。從使用3D獲取更豐富、平滑的輸入，到使用3D來呈現新體驗，用戶的期望將從2D界面逐漸轉向更豐富、更沉浸式的3D世界。
對于涉及與3D技術合作的戰(zhàn)略規(guī)劃者，需要快速建立與圖像處理、專業(yè)軟件、圖像傳感器公司的關系，這將是在價值鏈中占領高地的關鍵。這一價值鏈將圍繞3D移動設備和智能手機市場增長而增長。5G網絡、專注于人機界面(HCI)改進的專用AI芯片將加速這一競爭。
第二：更豐富的智能設備的形象
圖片來源:視覺中國
智能手機攝像頭幫助用戶生成以家人、朋友、同事為主題的數字內容，導致那些在全球廣泛共享的照片和視頻內容快速增長。對于AR、VR、MR的成長，一個關鍵的組成部分將是豐富。栩栩如生和動畫體驗的形象。這些體驗將真實地反映用戶的生理和性格，從而提升在虛擬環(huán)境中所需的親密感并實現共存。
在協(xié)作環(huán)境中，呼聲最高的往往是“更多的對象”，制造商將越來越多地填補空白，提供下一代產品目錄，使用圖像識別將真實的場景、準確的云描述、數字孿生（Digital Twin）聯系起來。然而，要真正讓用戶感覺完全沉浸在虛擬環(huán)境中，就需要一個虛擬形象來代表和描繪用戶。
虛擬形象是一個圖標或人物，代表一個特定的人在一個視頻游戲、社會環(huán)境或虛擬空間。幾十年來，虛擬人類互動實驗室(VHIL)一直在探索從面部表情到身體位置等虛擬人的視覺描繪的細微差別，以及它們如何對社會互動產生明確的影響。
一是語音技術。例如，亞馬遜在2017年推出了它的語音標記功能，允許開發(fā)人員通過同步語音和面部動畫來進行唇同步。
二是面部跟蹤技術。臉譜網展示了今年早些時候的社會虛擬實驗。通過機器學習工具從2d照片中推斷3D模型。例如：loom.ai通過機器學習將自拍轉換為個人3D形象，并以內嵌式自動實現頭像的創(chuàng)建過程。它使用公共API和視覺效果(VFX)創(chuàng)建逼真的可視化，然后可以動畫化，并用于一系列應用程序。
三是人體掃描技術。多倫多的ITSME這樣的公司使用全身掃描，并且能夠在掃描后的一分鐘內創(chuàng)建一個個人的3D形象。它的第一款產品ITSMIJI，允許個性化形象作為表情符號。
這些技術也將在消費環(huán)境中發(fā)揮作用，用戶當前不存在于社會虛擬現實中，將能夠支持基本的自動化交互。像Furhat機器人公司這樣的動畫廠商也將擴大業(yè)務，提供品牌體驗，利用應用于酒店、商店、交通樞紐和其他公共場所的ARVR技術。
第三：戴式顯示器的主流
頭盔顯示器將從2016的1,600萬臺增長到2021年的6,700萬臺(復合年增長率為33%)。在這個預測期內，ARHMD將增長到這一數量的近一半。由于蘋果和谷歌等領先廠商發(fā)布了各自的平臺ARkit和ARcore，開發(fā)者和消費者的關注度有所提高。
AR是一組技術集合，提供一種將物理世界與數字信息結合在一起的體驗和用戶界面。智能手機實際上是消費者的個性化設備。智能手機上的一般消費者AR體驗很難獲得吸引力，這是因為形式因素(手持)限制了用戶的行為。大眾市場的用戶不愿意不停地拿起手機到他們周圍的環(huán)境，以獲得更多的信息。
隨著時間的推移，這些設備將成為用戶的重要裝備，多模態(tài)（觸摸、手勢、語音和運動）和免提交互將成為這些設備的主流功能。消費者將開始轉變，從智能手機到HMDS，以更透明、更直觀的方式與物理和數字世界互動。
計算機視覺等技術將使消費者能夠直觀地搜索和識別其物理環(huán)境。目前，虛擬現實的銷售額絕大多數來源于頭盔顯示器，主要是索尼PSVR，Oculus Rift和HTC；移動設備如三星的GearVR。
另一方面，AR的興趣更多地集中在企業(yè)的使用上，消費者的使用受到硬件成熟度、用戶體驗、受眾范圍、隱私等因素的阻礙。隨著時間的推移，技術使AR體驗更加舒暢，性價比更高，我們預計ARhmd銷售將超過VRhmd銷售。
這也是因為AR可以作為用戶在物理世界和數字世界之間的用戶界面，而VR僅限于純數字再現的交互。
第四：虛擬與現實的交互
圖片來源:視覺中國
Gartner預計，到2020年，增強現實和虛擬現實將合并他們的特性和功能。預計，微軟的其他技術供應商可能在2018年和2019年推出更便宜的MR硬件?；旌犀F實是市場中的一種沉浸式解決方案，不像AR和VR那么成熟，這項技術是通過一個帶有透明鏡頭的耳機，將3D圖形疊加到真實世界的視圖上。
MR促進了復雜的用戶體驗，增強了真實世界的視覺覆蓋、音頻和觸覺反饋?；旌犀F實目前處于早期階段，以航空航天、空間探索、汽車制造、建筑和設計、醫(yī)療保健等領域為中心正在進行試點。該技術使企業(yè)能夠使用復雜的多通道和多視覺體驗來橋接物理真實世界和虛幻世界。
更自然的是，與3D對象和數字世界進行交互，并提供虛擬和真實環(huán)境的更靈活的集成，支持在業(yè)務和虛擬現實中更廣泛的協(xié)作場景?？梢暬投ㄖ菩萝嚒⑿路孔?、新的互動游戲、新的購物或娛樂體驗（博物館或旅游目的地）等方面將潛伏商機。
第五，硬件與市場的整合
沉浸式技術包括增強現實技術、虛擬現實技術和混合現實技術。AR與實際環(huán)境相關度較高，VR使得用戶被放置到充分的虛擬環(huán)境中，MR把虛擬對象被插入到實際環(huán)境中。谷歌和蘋果兩家公司，都在積極關注身臨其境的體驗，并將其帶給主流用戶。
最近推出的ARcore，旨在使AR開發(fā)人員能夠不需要特殊的深度傳感器來操作安卓系統(tǒng)。蘋果的關注點是AR，因為蘋果已經發(fā)布了ARkit(IOS 11的一部分)。iPhoneX也有一個正面的3D深度感測相機，將允許用戶查看三維的世界。微軟是市場的領導者，它的全息透鏡設備正在引領未來。
沉浸式設備和技術的現實市場非常分散，就像蘋果、微軟和谷歌等科技巨頭的新興科技市場一樣，如今占據的市場份額不到15%。所有這三家領先的技術供應商都對沉浸式的現實市場抱有很高的期望。他們希望在這些市場上獲勝，因為這是用戶如何與設備以及物理和虛擬世界互動的一個新興前沿。
目前，AR、VR和MR更像是一個單獨的市場，每個市場都有特定的參與者。沉浸式現實解決方案的成功不僅取決于硬件/設備的可用性和能力，還取決于內容、開發(fā)人員的支持和生態(tài)系統(tǒng)。
因此，預計沉浸式現實市場將在2018和2019年經歷大量整合，將看到更大的平臺領導者出現，比如谷歌、微軟和蘋果、臉譜網等，技術的進步也將推動未來三至五年內AR、VR和MR市場的融合，因為新的設備將能夠支持不同層次的沉浸體驗。
沉浸式技術若要使得用戶與內容和媒體之間的互動更加愉快、充實，我們還有很多工作需要做。而這一切的實現主要取決于將用戶置于其價值主張核心的技術設計。
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