VR与AR技术的发展与前景

摘 要：VR与AR技术的发展，使人们实现了现实世界与虚拟世界相互融合与互动的梦想。虚拟现实技术与增强现实技术的产生，对传统的媒体方式进行了天翻地覆的改变。文章的主旨是为了解VR与AR技术并且对其发展历程进行分析，从而展开对其未来发展前景的推测。

关键词：VR与AR技术；虚拟现实；增强现实；发展过程；前景展望

近年来，随着VR与AR技术的研发与进步，使大家对虚拟现实技术的接受程度越来越高。自2014年初Facebook公司以20亿美元收购Oculus（虚拟现实头带设备设计与研发公司）之后，大家的目光都聚焦到这一领域，许多大企业纷纷加入到硬件开发及软件制作的行列里。不到两年的时间里，从全景视频制作、虚拟现实游戏设计、球型摄像机的研发、可穿戴式交互产品设计等基于虚拟现实技术而生的产业链稳步发展。

1 什么是VR与AR？

VR是英文Virtual Reality的简称，即虚拟现实技术。20世纪60年代由著名计算机科学家、图灵奖获得者伊万・萨瑟兰（Ivan Sutherland）美国提出。VR是一种计算机生成的可交互的三维动态效果，将它作为虚拟的背景或环境，与参与者的实体行为产生实时互动的技术。参与者通过VR设备，让虚拟世界的视角与真实的摇摆、旋转、行走等行为动作完全匹配。简单的说，就是让参与者带上虚拟现实头戴设备（头部跟踪器）、仿真交互手套（手部跟踪器）、眼睛视向跟踪器等硬件设备，通过实时性运动追踪，同时在虚拟场景中产生互动的行为，从而达到沉浸式仿真效果。VR一般使用不透光的显示设备，用户不能看到外部世界，完全沉浸于虚拟世界中。

AR是英文Augmented Reality的简称，即增强现实技术。这种技术是1990年提出的，其目的为了将真实的信息与虚拟世界的信息同时显示出来。这两种信息相互补充、叠加，在显示器里把虚拟世界堆叠在现实世界中，并进行实时地计算摄影机影像的位置及角度，使虚拟影像与真实世界产生完全匹配并且实时互动。AR一般采用透明的设备或者通过带有摄像头的显示屏。通过这些设备，用户可以看到虚拟信息和图像加载到现实世界的景象。

2 VR与AR技术的研究与发展

1961年，美国Philco公司发明了头戴式显示系统。此系统的原理，是利用了磁铁的磁效应。相机和测试者分别设置于两个不同的房间，通过测试者头部转动，来调整与磁铁相连接的相机的位置和角度，目的是观测另一个房间的景象。这也是历史上第一个实现远程监控的实验。

1968年，第一台虚拟现实的原型机问世，这台名为“达摩克利斯之剑”的头戴式显示器的发明者是哈弗大学电气工程副教授伊万・萨瑟兰――当代著名计算机科学家、图灵奖获得者。整套系统能够将二维线图转换为三维效果的图像，投射在用户头顶的天花板上，并通过手动操作控制连接杆和头戴设备来获得虚拟影像。

之后，随着虚拟现实技术的研发与进步，逐步提高了头戴式显示系统交互方面的尝试和改进。最原始的头戴式显示系统，用全景的方式观测观看影片或者显示游戏，却无法实现交互功能。这个显示器的显示角度与人眼的视角相似。人眼的视角极限大约为垂直方向150度，水平方向230度，如果屏幕大小接近视角范围，就会给人一种身临其境的感觉。

南加州大学的工程师帕尔默・拉奇自行设计、开发了几个头戴式设备的原型机。后成立了Oculus VR公司。2012年，Oculus发起了关于 Rift的众筹活动，最终以众筹目标974%比例获得243万美元资金。这个资金让Oculus Rift从一个原型升级为投入量产的商业产品。

2014年3月，Facebook以20亿美元收购Oculus VR并且建立高水平的软硬件研发团队，为用户带来更高水准的虚拟现实体验。

随后，各大公司都对虚拟现实设备进行投资，其中有谷歌、索尼、HTC、三星等。

增强现实与虚拟现实技术的发展，离不开人们对于某些特定领域的特殊要求。比如军队的模拟作战训练、航天器模拟训练等等，都对技术研发起到了推动性的作用。1961年，美国空军路易斯・罗森伯格在阿姆斯特朗实验室中，开发出对机器的远程操作系统Virtual Fixtures[1]。随后，研究方向转至增强现实，即如何以虚拟图像叠加至用户的真实世界画面中。

1998年，世界上第一次成功的将增强现实技术应用于电视节目的实时直播。美国电视台大胆的运用了1st & Ten系统将橄榄球比赛中可进攻区域用黄色线条标注在屏幕上，实现了电视屏幕上的可视化。

1999年，由奈良先端科学技术学院的加藤弘教授开发了增强现实开发工具ARToolKit――利用C++语言让编程人员快速编写增强现实应用程序库。开发增强现实程序的难点在于如何将实际发生中的运动轨迹与虚拟图像精确对齐，并且将虚拟影像实时的覆盖到显示窗口。利用该系统所提供的快速和准确的标记跟踪功能，实现了消费级别增强现实的可实践性。

2005年，开发者通过将ARToolKit与软件开发工具包（SDK）相结合，利用手机摄像头视频跟踪功能，实现了实时计算摄像头与真实环境定标志之间的相对方位。这次实践被看作是增强现实的一场技术革命，标志着增强现实技术从试验阶段过渡到商业实践中去。

2013年4月，谷歌于了谷歌眼镜。这种AR设备将信息直接叠加到眼镜上。

2015年，微软开发了增强现实眼镜HoloLens。这个设备是利用了全系技术，使眼镜具备重叠虚拟影像于真实世界的功能。虚拟的影像只有佩戴者能够看见，眼镜会自动根据佩戴者移动的位置以及视线运动的方向调整三维虚拟影像的位置及角度，再将实时追踪的影像通传导进眼镜里。设备还可以通过动作捕捉实现佩戴者与虚拟物体的互动。

增强现实技术在各个领域中都有很多发展和应用。比如：在军事上采用了AR技术，将相关数据及导航信息叠加到飞行头盔中；在医疗上，通过移动终端，将CT扫描结果叠加到人体不同部位，方便医生手术中随时观测患者病情；在幼教方面，利用增强现实技术使三维模型与教课书籍等相结合，利用移动终端，让孩子实现沉浸式教学，提高教学质量；在娱乐方面，很多公司开发了增强现实游戏，让玩家在现实环境中与虚拟的人物互动。众多实例说明：增强现实技术在工业、商业、教育等研究方面都存在着极大的潜能。

3 VR与AR的前景展望

一组来自美国知名第三方调研机构Manatt Digital Media和Digi-Capital投资银行于2015年年中的数据中指出，根据目前市场的预测，全球虚拟现实及增强现实市场规模将于2020年达到1500亿美元。将会有更多的相关硬件及程序得以开发。目前所面临的技术难点在进一步研发中，应该可以得到优化。

在硬件方面，有以下几个有待解决的问题：

（1）设备的重量以及佩戴舒适度不佳

Oculus Rift DK2 的净重为453克，如果加上数据线、电源接线等其他的辅助设备，重量可观。

（2）设备追踪系统的精确度不高

虚拟设备目前还需要加入其他的辅助设备完成精确度的提高。Oculus Rift DK2 就在面板上加装了红外标记点，配合红外摄像头才能实现“位置追踪功能”。

（3）物理运动产生的眩晕感

人眼通过两套系统来感知深度信息，一是两眼视差，二是不同距离下人眼晶状体的变形程度。视觉所感受到的运动信息与身体所感受到的运动信息的差异亦是眩晕感的重要原因。

（4）设备不能实现无线操作

目前VR头戴式显示器都是以有线方式接主机，经常会出现拉扯、动作受限等缺点。无线传输、电池技术还需改进。

（5）设备的显示精确度不高

Oculus Rift DK2，单目分辨率为960×1080 像素，双眼合起来是1920高清标准。4K的清晰度在短时间内无法达到。

4 结束语

随着VR与AR技术新的交互方式的研发：比如手势识别、视网膜识别等。虚拟现实与增强现实技术会更加完善，这些技术将会在不同应用领域带来全新的体验。

参考文献

[1]诺尔，迈克尔（1998年09月21日），桌面指纹[Z].福布斯，检索22，2014，4.

[2]罗森伯格・L・B.虚拟设备感知覆盖提高远程环境操作使用性能[R].技术报告al-tr-0089，美国空军阿姆斯壮实验室，莱特帕特森空军基地，1992.

作者简介：董璐茜（1982，2-），女，汉族，陕西西安，西安美术学院，双硕士（英国），助教，研究方向：数字特效、数字交互、视觉传达。