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虚拟现实背后的技术支撑和瓶颈

时间:2022-06-18 16:46 点击次数:
  本文摘要:编者按:本文转载自《科技导报》2016年第15期。原文作者曹煊,是中国科学院自动化研究所博士研究生,美国南加州大学ICT实验室VisitingRA,研究方向为肉眼三维表明、光场的收集和表明、计算出来摄像机、虚拟现实、增强现实。 在技术变革和资本力量的双重推展下,虚拟现实(VirtualReality)技术在近几年发展很快,可行性超过了可商业化的程度。虚拟现实和3D电影院都是通过双目视差构建三维光学,但虚拟现实获取了3D电影院所不具备的移动视差并获取了反感的沉浸于感觉。

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编者按:本文转载自《科技导报》2016年第15期。原文作者曹煊,是中国科学院自动化研究所博士研究生,美国南加州大学ICT实验室VisitingRA,研究方向为肉眼三维表明、光场的收集和表明、计算出来摄像机、虚拟现实、增强现实。

  在技术变革和资本力量的双重推展下,虚拟现实(VirtualReality)技术在近几年发展很快,可行性超过了可商业化的程度。虚拟现实和3D电影院都是通过双目视差构建三维光学,但虚拟现实获取了3D电影院所不具备的移动视差并获取了反感的沉浸于感觉。

  现阶段虚拟现实技术仍面对着一系列技术难题,其中失眠和人眼疲劳特别是在显著,是虚拟现实的技术瓶颈。本文从讲解三维视觉感官开始,分析了虚拟现实导致失眠和人眼疲劳的根本原因。同时得出了解决问题这一技术瓶颈的答案动态光场,并从光场收集和表明两方面分析了多种光场技术的优缺点。  本文最后列出了增强现实(AugmentedReality)技术的三种构建形式,并从人与人交互和通信的角度对比了虚拟现实与增强现实在未来的发展趋势。

  1、虚拟现实仍然不存在  近几年,虚拟现实(VirtualReality,VR)技术发展快速增长,商业化、市场化和产品化的趋势日益显著。然而,早在50多年前,科学家们就早已明确提出了虚拟现实的技术设想。美国计算机图形学之父IvanSutherland在1968年研发了第一个图形可视化的虚拟现实设备,但在当时还不叫虚拟现实,而是被称作头戴表明或头盔表明(Head-MountedDisplay,HMD)。

就技术层面而言,现阶段的虚拟现实眼镜或者虚拟现实头盔仍可区分为HMD的范畴。  2013年谷歌眼镜(GoogleGlass)面市,虚拟现实这个术语开始转入公众视野。但当时的谷歌眼镜没双目立体视觉,所以称作GoogleGlass而不是GoogleGlasses。

尽管谷歌眼镜的整体表明效果高于同一时期的手机和电脑,但其精致的光学方式引发了人们的很大注目。这背后说明了了人们对于早已延用了二十多年的传统平面显示方式的审美疲劳和对精致显示方式的反感期望。  总体来说,现阶段虚拟现实有三大显著特点(全称为3I):  沉浸于感觉(Immersion)  交互性(Interaction)  设想性(Imagination)  视觉是人类最脆弱,捕捉信息量仅次于的传感器。

VR眼镜阻隔了人眼接管外部视觉信息的地下通道,取而代之的是虚拟世界的视觉内容。当人眼受到来自VR眼镜的视觉性刺激时,大脑不会自动绘制出有虚拟世界的环境,从而使人沉浸于在了一个全新的环境中。  比起于传统的显示方式,交互性并不是VR所特有的。

电视可以利用遥控器交互,电脑可以利用鼠标键盘来输出。目前虚拟现实还没统一的输出设备,交互方式可以根据虚拟世界场景来设置,极具灵活性和多样性。例如在士兵培训中,VR交互方式可以是一把枪;在仿真外科手术中,交互方式可以是手术刀。

  人们利用VR可以以第一人称视角去探寻不得而知的环境,还包括一些人类无法抵达的环境,例如深海、外太空;甚至还包括一些人类无法抵达的或抽象化的环境,例如细胞、黑洞、一个数学模型。VR技术给了我们一个可以去遨游在任何环境中的机会。在这样一个未曾抵达的环境中,人类的视野和想象力获得了很大的延伸。

  既然虚拟现实早已不存在,但为什么直到现在才愈演愈烈呢?一方面是因为虚拟现实作为一种全新的显示方式,正好符合了人们对于信息可视化变革的期望。另一方面也是因为技术变革和资本力量的联合驱动。  2、VR背后的承托  在此之前,大规模普及虚拟现实还只是一个美丽的梦,因为受到计算出来性能、工业集成化、可视化技术发展的容许。而近10年来,涉及的技术获得了快速增长的发展,为VR的商业化和产品化奠下了技术基础。

除此之外,有一股不可忽视的力量在推展VR加快发展,那就是大资本。  (1)VR背后的技术变革  表明技术的发展可以区分为4个阶段:平面2D曲面2.5D头戴表明3D肉眼全息。  人类存活的世界是三维的,但自从照相机和显示器问世以来,仍然以二维平面的方式来记录和表明这个三维世界,这是一种降维后的展现出方式。

从早期的阴极射线管显示器(CRT)到轻巧的液晶显示器(LCD),从黑白表明到彩色显示,每一次技术变革都没突破表明维度的容许。全世界的科学家们都在希望尝试超越这一困境,企图还原成一个现实的3D世界。  在虚拟现实技术经常出现在公众视野之前,有另外两种突破二维表明的技术经常出现在了消费市场,还包括曲面2.5D表明和肉眼3D表明,但这两种技术都没能取得消费者的芳心。

  曲面2.5D表明技术并没带给信息可视化在维度上的突破,人们并无法从该显示器中感官到第三维度的信息(视觉深度感觉)。  肉眼3D表明技术为观看者带给了视觉深度感觉,但目前的肉眼3D表明技术还不存在很多的技术难题尚待突破,还包括分辨率损失相当严重、观赏视角狭小、邻接视点冲刺等。在可意识到的未来,肉眼3D技术还无法超过令其消费者失望的效果。

  因此,上述两种超强二维表明技术都没能调和技术可行性和市场期望之间的对立。在这样的局面下,虚拟现实应运而生,它是技术可行性和市场期望的折衷产物。

  (2)VR背后的资本力量  除了涉及技术的变革和发展,资本力量的推展也是VR蓬勃发展的另一最重要因素。如果说2013年谷歌眼镜的发售是行业大鳄偷窥头戴表明极大宝藏的一隅,那么2014年Facebook耗资20亿美金并购Oculus就是极大资本锁上虚拟现实潘多拉魔盒的开始(录:Oculus是一家专心于虚拟现实技术的公司)。  随着资本的转入,更好的科研力量、工程技术以及3D内容研发都争相转入了该领域。

2016年被称作虚拟现实元年,HTC、Facebook、Sony等国际巨头,以及国内的部分虚拟现实公司都将自己的VR产品月推上了市场。在这样的国际格局下,国内的部分资金也开始可怕投向虚拟现实领域。  3、为什么能感官到三维  我们生活的世界是一个四维空间,还包括水平维度、横向维度、两翼维度和时间维度。例如在图书馆找寻一本书必须告诉书籍正处于第几排、第几列的书架,以及正处于书架的第几层。

并且还必须告诉这本书否早已租用,什么时候不会经常出现在该书架。  通过视觉仔细观察物理世界时具备互动性,一般假设光线从环境中收到到人眼接管的时间为零,因此不必考虑到时间维度,用前三个维度来叙述所仔细观察的世界。例如抱住拿杯子时,视觉系统不会协助我们辨别杯子正处于手的左边还是右边,上边还是下边,前面还是后面。

  在一个平面上可以很更容易地感官到水平维度和横向维度,但如何感官到第三维度视觉深度呢?  众所周知,双目视差是获取视觉深度的重要途径,但视觉深度某种程度由双目劣来反映,单眼也能感官到深度。深度信息(depthcues)有很多种[1],主要还包括以下信息。  1)双目视差(binocularparallax),也称作左右视差或双目汇集。所仔细观察的物体越近,视差越大(图1),双眼汇集角度越大(图2);所仔细观察的物体越大,视差就越小,双眼汇集角度就越小。

必需依赖双目协同工作才能感官到双目视差。    (图1双目视差)    (图2双目汇集)  2)移动视差(motionparallax),当仔细观察视点转变后,远近有所不同的物体在人眼中产生的偏移不会有所不同,如图3右图。

经过完全相同的视点转变,远处的物体在人眼中产生的偏移更加小,近处的物体在人眼中产生的偏移更大。双目和单目都可以感官到移动视差。


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