虚拟现实 假作真时真亦假

2013年的央视春晚已落下帷幕，不出所料，网上对春晚内容是一片吐槽之声。不过整台晚会中科技感十足的舞台效果，却意外得到大家的交口称赞，这要得益于今年春晚对增强现实（AR）技术的全面应用。增强现实其实是虚拟现实（VR）的一个分支，下面就让我们一起来揭开虚拟现实的缥缈面纱。

虚拟现实溯源

计算机的发展，开始的时候是字符界面（如DOS），我们通过输入命令与计算机进行交流，接着是图形化界面（如Windows），让我们与计算机打交道时更加形象化。而下一代则是虚拟现实的3D立体交互的时代，我们与计算机的交流将更加人性化。

TED 2013的年度大会上，美国麻省理工学院研究生Lee Jinha展示了一款3D桌面环境SpaceTop，我们可以将手“伸”进屏幕中，直接用手“捏”出要处理的文档窗口，直接从一个文档中“捏”住文字拖到另一个文档中，相当神奇。这就是虚拟现实的一个很好的应用实例。

实际上要追溯虚拟现实技术的起源的话，它早在1965年就已经被人提起了，当时IvanSutherland在IEIP会议上作了题为《The Ultimate Display》的报告，指出人们可以把显示屏当作一个窗户来观察一个虚拟世界，窗口中的图像必须看起来真实，而且其中物体的行为也很真实。1989年，美国人Jaron Lanier正式提出Virtual Reality（VR）一词，用来统称各种借助计算机技术实现的模拟环境的概念，一直沿用至今。

虚拟现实的系统组成

虚拟现实的本质，说白了就是一种人机交互的界面，它与Windows界面本质上并没太大差别，只不过它是立体的而已，更加接近真实世界的感受。

虚拟现实具有三大特征：沉浸性（临场感）、交互性（互动）、构想性（创造性想象力）。它以模拟的方式创建一个能够实时反应的三维图像世界（还能包括听觉、触觉、嗅觉等），让人有沉浸其中的感觉，并且可以在其中漫游和互动。沉浸性的实例，比如我们戴着3D眼镜欣赏3D版《阿凡达》时，就会产生身临其境的感觉，不过它还不是完全的虚拟现实，因为这时我们只是旁观者，还不能进入到3D电影的环境中并与其中的人物交流或者操控其中的器物。

目前来说，虚拟现实技术主要分为四大类：

1.桌面虚拟现实，主要以计算机屏幕作为虚拟环境的窗口，如上面所说的SpaceTop；

2.沉浸式虚拟现实，利用头盔显示器等设备把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，让用户完全沉浸于计算机所营造的虚拟世界，比如一些3D驾驶游戏；

3.分布式虚拟现实，比如大型网络游戏，可以让不同位置的人处于同一场景中；

4.增强现实技术，实际上是一种混合现实，将真实环境和虚拟现实的景象结合起来的一种技术，如央视2013春晚所应用的舞台特效。

不管是哪一类虚拟现实，基本上要具备：虚拟环境产生器，产生三维环境，是VR最基础的部分；信号采集系统，由各种传感器组成，采集动作、位置、声音、温度、速度等信号；信息输出系统，这是使操作者产生感觉的部分，如声音、触觉、动感等。虽然是看起来有实际上无的虚幻世界，但是它需要各种硬件设备来支撑。

SpaceTop 3D桌面工作原理

2003年吴宇森导演的科幻片《记忆裂痕》中有这么一个场景，男主角是一名计算机工程师，他在盗用其他公司技术的基础上，开发出一种完全摈弃传统显示器的新型虚拟现实系统，计算机模拟出的主持人如同现实存在的人，而且还能跟访问者打招呼。

不过现在这不再是科幻，SpaceTop将让普通人很快也能体验到类似的效果，SpaceTop让我们可以在一个立体界面中，直接以手来操作文件（SpaceTop视频演示：）。

SpaceTop保留了传统的操作方式（键盘和触控板），并融入了新的三维空间操作方式。它的三维实现主要靠一对纵深摄像头和一个透明的显示屏来完成。这个系统中摄像头是非常重要的传感器，它用来实时追踪手指在三维空间中的坐标位置以及识别手势动作（比如捏住窗口的标题栏拖动），然后把它转换为多点触控板可识别的手势动作（相当于我们用鼠标按住窗口标题栏移动它）。

另外还有一个纵深摄像头用来追踪用户的脸部，它的主要作用是识别脸部动作，确定用户的视线角度，以便实时调整三维界面视图，确保正看、侧看等不同角度下看到的是差不多的界面。

春晚增强现实是如何实现的

虚拟现实（VR）所展现的全部是虚拟的，增强现实（AR）则是虚实结合。央视2013春晚中所应用的AR技术，其实是在前期已经制作好多个虚拟影像，然后在电视直播的过程中，通过电脑合成到电视画面上。也就是说，现场观众是看不到这些AR效果的，只有电视机前的观众大饱了眼福。

央视应用AR技术其实已有些时间了，比如2010年世界杯期间央视五套的《豪门盛宴》节目就曾应用过。

电视画面是动态的，虚拟的图像如何才能与电视画面同步呢？否则，当电视画面改变之后虚拟图像还在原来的位置，就会穿帮了。

解决的办法之一，就是设置一个图像标记，比如《豪门盛宴》节目在演播室中央就有这样的标记。首先，摄像机拍摄现实场景；然后，通过计算机视觉技术捕获标记实时记录它的位置和方向；最后，将虚拟的3D对象叠加到这一位置，从而达到虚实融合。

虚拟现实与全息技术

虚拟现实（VR）最重要的特征就是它完全由计算机模拟生成，增强现实（AR）的主要特点则是有实有虚。另外与虚拟现实容易混淆的就是全息投影。

全息投影是一种不需要配戴3D眼镜就可以观看到的3D技术，观众可以看到立体的虚拟人物。近来一些大型演唱会上演的当代歌星与已经逝去的歌星同台合唱的影像，不少就使用了全息投影技术。

全息技术本质上是一种投影技术，所以与虚拟现实还是有区别的，它可以直接看到影像，而且必须通过一定的介质将影像投射到上面才能显现出来（一般介质为空气，现在较多使用纱幕等介质）。

AR和全息投影，应算是虚拟现实的分支或拓展，这三者虽然不尽相同，但经常被整合在一起，我们的生活也因此变得多姿多彩了。