虚拟现实技术:走向融合的旅程
2014-08-08 中国教育网络 张燕翔
自从计算机媒体技术诞生以来,多种感觉媒体也在不断走向融合,虚拟现实技术的发展尤其体现了这种融合。
从双目视觉到多种媒体形态的融合
在摄影术诞生之初,立体照相机和立体观片器就也几乎同时诞生了,这样的技术允许人为的手段模拟人类左右眼成像系统融合所能产生的独特的立体视觉效果。
早在1833年,英国科学家惠斯登(Charles Wheatstone)就发现了双眼视差形成立体视觉的原理,并于1838年亲自制作立体镜证实了这一学说,这是人类第一次对立体视觉有一个较为科学的认识。英国物理学家塔尔伯特(F.1.Talbot)根据惠斯登的立体成像原理,于1841年设计出了第一台立体相机,此后世界各国陆续对其仿制并改进。这种立体相机会拍摄出两个符合视差的并列图对图像,需要用专门的立体镜才能观看到立体效果。
这项技术后来在多个领域得到充分的发展和运用,在影视方面成为立体影视、4D、5D,甚至7D电影体验中最基础的内容,而对于虚拟现实环境来说,模拟左右眼视差所产生的立体化虚拟环境则能够极大提升用户的真实感体验,而这也成为各种虚拟现实眼镜和虚拟现实头盔的技术基础。在这个融合的过程中,音视频、图文、动画等媒体形态乃至更多的用户体验也在电影或互动式虚拟空间里融为一体。
如今立体影像无论在影视还是游戏领域都有了长足的发展,尤其自从阿凡达以来,立体播放设备门槛一再降低,易用性和可用性越来越高的同时,画质和分辨率不断提升。
真实视频影像与虚拟环境的融合
立体视觉技术虽然实现了左右眼效果的立体化融合,但其仍然是一种纯粹的视觉模拟。而物理世界中太多丰富多彩的信息形态,增强现实技术的发展,使得虚拟世界可以跟真实世界进行融合。
增强现实技术也被称为混合现实技术,它可以将电脑世界里的虚拟信息或三维模型通过三维注册叠加到现实世界的视频画面之上,使得虚拟物体仿佛真的存在与现实世界中一样,实现一种虚实结合的效果,并且可以进行实时的互动。这种技术以影像合成的方式将物理世界和虚拟世界融为一体,使得物理世界中的人可以操控虚拟的物体,从而带给用户高度真实感的、虚实融合的互动体验,并且可以强化用户的认知体验效果。
人的动作在虚拟世界中的融入
人类通过运动存在于物理世界之中并且与之发生交互,同时受人类自身能力以及物理世界的约束,我们无法实现许多梦寐以求的运动方式,如飞翔等。而在虚拟世界中,影像是我们了解虚拟世界的重要途径,这样一来,通过特定的设备实现对某些运动方式的体验,同时借助与之互动的虚拟影像,是我们感觉自己正在某种虚拟世界之中进行中梦幻般的运动,就成为一种将物理世界与虚拟世界融合的特别的方式。
Kinect传感器的成功开发可以将人的动作捕获及输入计算机,以实现更为复杂的信息交换,从而使得用户可以通过手势或身体动作来操控及与计算机内容进行互动,为用户体验带来全新的可能性,进一步将人与媒体融合在一起。
而2013年最新出现的一种叫做LeapMotion的技术更是彻底地将鼠标和键盘抛开,用户可以直接用手指高精度地操控计算机里的虚拟内容,使得人与计算机媒体的关系达到一种全新的高度。
传统的虚拟实境主要是给用户提供视觉和触觉上的虚拟体验,但是却无法自由自在地运动。VirtuSphere技术的出现解决了这种需求,在VirtuSphere里,戴上虚拟现实眼镜的用户可以在任意方向行走、跑、跳、爬,并且球面自身的反向运动使得用户可以一直运动下去,从而获得跑了非常遥远的距离的感觉——但他实际上还是呆在老地方。
像鸟一样飞,这是上千年以来无数人的梦想,虽然飞机的发明使得人类实现了在蓝天翱翔的梦,但是仍然没有让人体验到像鸟一样飞翔的感觉,Ars Electronica 2003电子艺术节上展现的飞翔机器使得人们穿上数据衣服之后,可以感受一下自由飞翔的快感。
物理信息与虚拟世界的融合
现今的计算机技术借助各种传感器技术的帮助已经可以为用户带来更丰富的感知体验,对于存在于物理世界中的用户而言,物理世界中的各种现实事物带给用户的感知体验是计算机虚拟世界带给用户的体验所不能取代的,信息物理融合技术的发展使得用户的真实世界可以跟原本只存在于计算机内部的虚拟世界无缝地融合在一起,实现了一种新颖的人机物理交互仿真,打破了计算机界面的局限性,但是在一定程度上仍然依赖于计算机界面的存在。而借助各类传感器技术将物理世界的信息融入互动媒体技术,则将能够为用户的感知系统带来由内而外、全方位深层次的立体化体验。这无疑将为虚拟现实媒体结构功能的创新发展创造出前所未有的形态空间。
MIT媒体实验室可接触媒体团队的Jinha Lee等制开发的ZeroN,实现了基于计算机控制的用户与真实物品的交互。其核心是一个受计算机系统控制的电磁场。这个电磁场可以将金属小球悬浮其中,并且用户能够通过操控这个金属小球与虚拟环境里的数字内容进行互动,如模拟行星环绕恒星的运动,或者模拟3D环境下摄像机的位置,用户可以通过亲手移动小球来改变虚拟摄像机以实时调整摄像机视图的效果。
人际互动在虚拟空间里的延伸
随着计算机三维图形技术的发展,物理世界中的人在三维虚拟空间中的协同也成为可能性。在三维虚拟空间里的协同将有更多的自由度,参与者可以使用三维模型来构建自己的世界,而协同的方式也比二维画面绘制中的协同机制要灵活得多,比如有几个参与者协同完成一个虚拟建筑,那么每个参与者都有可能添加或者更换其中的部件,或者修改这些部件的局部造型,材料外观等等。
在Second Life中,每个人都可以定制一个自己的虚拟形象,并且在这个环境中所遇到的其他虚拟形象也都意味着一个坐在电脑跟前的真实的人,而Second Life中已经繁衍出诸多社会经济活动:本田发售Second Life版本的轿车,IBM在Second Life里面召开跨国会议,而这个世界里的虚拟货币竟然可以跟美元实时兑换。
而MIT媒体实验室可接触媒体团队的Shunichi Kasahara、Valentin Heun、Austin S.Lee、Hiroshi Ishii等人开发创作的《Second Surface》则是一个基于增强现实技术的多用户空间协同系统,作品将现实环境中特定物体的表面作为不同用户进行互动的参照物,采用基于iPad的app对这些参照物进行识别,并且不同用户可以在iPad上进行任意的涂鸦手绘然后借助服务器将涂鸦的结果虚拟地“存放”叠加到当前参照物所在的空间,当用户使用iPad摄像头对着相应参照物的时候,增强现实app会连接到服务器上,其它用户在此处绘制的虚拟涂鸦将通过增强现实融合在现实空间画面的相应位置,于是多个不同用户的涂鸦将可以在相同的现实空间中以虚拟的方式进行融合。
(作者单位为中国科学技术大学科技传播系)