第一堂课 虚拟现实发展概况

一、概念解析

虚拟现实（VirtualReality, VR；又译作灵境）技术产生于20世纪60年代，最早源于美国军方的作战模拟系统。虚拟现实这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）在80年代初提出的，虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置“进入”这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊目的，即人是这种环境的主宰。

VR主要有三方面的含义：

第一，虚拟现实是借助计算机生成逼真的实体，“实体”是对于人的感觉（视、听、触、嗅）而言的。

第二，用户可以通过人的自然技能与这个环境交互，自然技能是指人的头部转动、眼动、手势等其他人体的动作。

第三，虚拟现实往往要借助于一些三维设备和传感设备来完成交互操作。

虚拟现实技术是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、多媒体技术、传感器技术、人工智能、网络技术、模式识别、人机工程、电子学、数学、力学、声学、光学、机械和生理学等自然学科和技术学科，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，通过视觉、听觉和触觉等多种感觉通道自然地对虚拟世界进行体验和交互。虚拟现实的原理如图1-1所示。

在虚拟现实的基础上，又出现了增强现实和混合现实的概念。其中，增强现实技术（Augmented Reality, AR）是将计算机生成的虚拟信息合成到用户感知的真实世界中的一种技术，利用实时计算摄影机影像位置及角度，通过全息投影，在镜片的显示屏幕中将虚拟世界与现实世界叠加，实现对真实世界的增加和强化。混合现实技术（Mixed Reality, MR）是指结合真实和虚拟世界创造新的环境和可视化三维世界，物理实体和数字对象共存、并实时相互作用，是虚拟现实技术的进一步发展。从概念来看，AR和MR并没有明显的分界线，都是将虚拟的景物放入现实的场景中。在AR的视界中，出现的虚拟场景通常都是一些二维平面信息，这些信息甚至可能和我们目前看到的事物无关，功能只是在不影响我们正常视线的情况下起到提示的作用，所以这些信息会固定在那里，无论我们看哪个方向，该信息都会显示在视野中这个固定的位置上。而MR则是将虚拟场景和现实融合在一起，只有我们看向那个方向的时候，才会看到这些虚拟场景，看向其他方向时就会有其他的信息显示出来，而且这些信息和背景的融合性更强。简单来说，虚拟信息如果跟随视线移动就是AR，如果想对于真实物品固定的就是MR。

尽管VR、AR、MR都涉及虚拟成像，但三者还是存在一些本质上的区别：

（1）表现特征和侧重点不同。VR以想象为特征，创造与用户交互的虚拟世界场景，把人从精神上送到一个虚拟世界，重在“以假乱真”，AR以虚实结合为特征，将虚拟物体、信息和真实世界叠加，实现对现实的增强，在现实世界里更好地导航，重在“亦真亦假”。MR则是以虚拟物体和真实物体交互为特征，共存现实和虚拟世界融合而产生的新的可视化环境，重在“真假不分”。

（2）与现实世界的关系不同。VR通过产生虚拟影像，将人眼与真实世界遮断。相比虚拟现实，AR通过叠加虚拟的影像，与真实世界的联系并未切断。MR使物理和数字对象共存于新的可视化环境，并实时互动，使交互方式更加自然。

（3）技术实现方式不同。VR的视觉呈现方式是阻断人眼与现实世界的连接，通过设备实时渲染的画面，营造出一个全新的世界。AR的视觉呈现方式是在人眼与现实世界连接的情况下，叠加全息影像，加强其视觉呈现的方式。MR是虚拟现实技术的进一步发展，该技术在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。

图1-2显示了VR、AR和MR之间的关系。