增强现实和虚拟现实最新发展趋势

客座编辑导言 • Bruce H. Thomas • 2016年1月

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译者:奥斯瓦尔多·佩雷斯 和 黄铁军


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确保物联网

增强现实是展现信息的一种强大方法,具有就地展示的特性,可以在物理对象和位置构成的场景中及时呈现信息以及对数据进行可视化。虚拟现实技术可以让用户观察和探索不可能接触到的环境。增强现实和虚拟现实都能够以直观的方式向用户提供3D虚拟信息。

我们正处在虚拟现实和增强现实革命的前夜。30多年来,研究界一直在等待这一天,而今大多数必要条件已经各就各位。3D图形的质量多年前就已经满足需要,头戴显示器和六自由度头手位置和朝向跟踪系统也进入实用。此外,虚拟环境应用和相应的用户交互方法也都已经开发出来了。头戴式显示器和所需的跟踪系统也已浮出地平线,本文发表后几个月内就会发布许多新产品。

头戴显示器(Head-worn display,也称HMD,Head-mounted display)只是呈现虚拟和增强现实视觉信息的一种形式。由于头戴式显示技术已经进入消费品阶段,对虚拟环境的研究还将沿着若干不同路径继续展开。正如对“菜单-指点-窗口-图标”系统(Menu Pointer Windows Icon system)研究那样,一些研究人员会继续优化这些显示和跟踪技术的一般用法,其他一些人将探讨面向未来的新技术。我为这期主题选择的研究文章,主要就是面向后HMD虚拟环境的新技术。

本期内容

虚拟现实最大的特色就是脱离台式显示器。在 现实甲板——身临其境的十亿像素显示 Charilaos Papadopoulos 和他的同事描述了采用“洞穴自动可视环境(Cave Automatic Visual Environment,CAVE)”实现的全新水平的沉浸式虚拟现实。现实甲板的显示分辨率超过1.5G像素,安装在一个360度、33×19×11英尺的方形外壳中。研究人员在这个显示环境中进行可视化分析,不仅信息密度超大,而且群组尺度合理,移动过程也完全真实。

用于运动界面的全身操纵的风呈现 中,Sandip D. Kulkarni和他的同事们通过增加风的触觉反馈机制扩展了CAVE概念,其中风的强度和方向都由计算机控制。通过增加环境效果,用户在虚拟现实环境中的真实感体验得到提升。文章报告了该技术的应用,并详细描述了创建这种显示需要解决的技术问题。作者清楚地表明,未来的虚拟环境提供的信息肯定会超越视觉和听觉。

空间增强现实(是一种使用投影仪显示增强现实信息的方法。SAR系统可以改变物体表面的视觉外观,如颜色、纹理、光泽、透明度以及微小的几何变化。在 基于投影仪的大型增强现实的空间用户界面,Michael R. Marner和他的同事们描述了新的用户交互范式——不仅要和虚拟信息交互,还要和投影对象交互。他们面向为一组真实世界的问题概括了一组应用和相应的空间用户界面。

SAR增强系统面临的一个主要问题是:标准投影仪在向物理实体投影时,影像只能在垂直于投影方向的平面上聚焦。岩井大辅、三原一郎和佐藤孝介的 通过焦点快速扫描扩展投影景深 试图解决这个问题。他们利用液体透镜技术,使得图像中的像素在不同距离上聚焦。作者证明,相对于对静止或运动对象固定焦距的传统投影技术,他们的方法能够有效提高投影图像质量。

Ismo Rakkolainen, Antti Sand和Karri把投影对象从物体转移到空中,在 粒子为屏的Palovuor空中用户界面,他们概要介绍了粒子屏(particle screen,有时也称为雾屏,fogscreens),其原理是在空中一定范围内形成一群能够反光的粒子作为投影幕。这些屏幕可以装备到公共场所,可从多个角度观看。作者进而介绍了专用于这类无形显示方式的一些交互技术。他们的工作给出了一个诱人前景:用粒子屏幕包围实际物体,在物体周围和上方增加漂浮的景象。想象一下,把一个3D拍摄的人物化身投影到你的客厅并与之对话。

头戴显示器还面临几个开放研究问题。伊藤裕太和他的同事的 用于光透视头戴式显示器的半参数化色彩还原方法 描绘了一种产生超现实成像的新方法,这是虚拟和增强现实领域特别感兴趣的。用光透视显示器产生逼真的虚拟影像极具挑战性,本文对这一问题进行了很好的综述。作者提出一种用于光透视头戴显示器的颜色校准新方法,为解决这一问题给出了一种颇具潜力的方案。

行业透视

在“增强和虚拟现实最新动向:业界视点”视频中,DAQRI的创新副总裁Matt Kammerait概述了开发和构建增强现实行业应用工具所面临的挑战。他解释了DAQRI是如何聚焦到“真正的现实问题”以及调查分析增强现实如何为行业面临的问题提供了节省成本的方案。Kammerait列出了把一个新设备推入工作场所所面临的挑战,并介绍了行业环境是怎样提供极大机遇的。此视频就如何在增强现实提供商和最终用户公司之间建立合作关系提供了颇有价值的意见。

结论

看起来,随着头戴显示器日趋稳定和价格大众化,虚拟现实和增强现实将很快步入现实。生成虚拟信息的计算机图形系统持续提升,服务社会的能力不断提高,用于环境映射和定位的传感技术也以稳定的步伐日趋完善。然而,虚拟和增强现实要广泛普及,仍有大量挑战。

首先要解决的问题是适当的交互方法,包括装置和技术。例如,选择和选单控制功能目前尚无标准的交互方法,也没有成熟的用户界面软件框架。我们都在等待类似X Windows Motif的框架来构建复杂的应用,而不是一切都从头开始。然而,来自游戏社区的开发环境UnityUnreal Engine给了我们希望,虚拟现实及增强现实的未来发展趋势总体看起来是一片光明。

客座编辑

布鲁斯·H.·托马斯南澳大利亚大学计算机科学系的教授,可穿戴计算机实验室共同主任。托马斯目前是IEEE高级会员,澳大利亚计算机学会会士以及ACM高级会员。他拥有弗林德斯大学的计算机科学博士学位。他目前的研究兴趣包括增强现实,虚拟现实,可视化,可穿戴计算机,用户界面,协同工作以及桌面显示界面。托马斯是IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics副主编。他的联系方法是bruce.thomas@unisa.edu.au


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