VR虛擬現實技術是怎樣沉浸的
原標題：VR虛擬現實技術是怎樣沉浸的
虛擬現實(Viaual Reality，簡稱VR)作為一種綜合計算機圖形技術、多媒體技術、感測器技術、人機交互技術、網路技術、立體顯示技術以及模擬技術等多種科學技術而發展起來的計算機領域的新技術，目前所涉及的研究應用領域已經包括軍事、醫學、心理學、教育、科研、商業、影視、娛樂、製造業、工程訓練等。VR技術已經被公認為是21世紀重要的發展學科以及影響人們生活的重要技術之一。
VR虛擬現實技術
自從計算機發明以來，計算機一直是傳統信息處理環境的主體，它只具有在數字化的單維信息空間中處理問題的能力。而事實上，人類是依靠自己的感知和認知能力全方位的獲取知識，是在多維化的信息空間中認識問題。這樣就產生了人類認識問題的認識空間與計算機處理問題的信息空間不一致的矛盾，人類被排斥在計算機為主體的信息處理環境之外，而且較難以直接理解信息處理工具的處理結果，更難以把人類的感知能力和認知經驗與計算機信息處理環境直接聯繫起來。因此，人們迫切需要突破現有的數字計算機只能處理單純數字信息的限制，建立一個能包容圖像、聲音、化學氣味等多種信息源的信息空間，人們不但可以從外部觀察信息處理的結果，而且能通過視覺、聽覺、嗅覺、口令、手勢等多種形式參與到信息處理環境中去，這種信息處理環境被稱為虛擬環境。虛擬環境是由計算機生成的，通過視、聽、觸覺等作用於用戶，使之產生身臨其境感覺的互動式視景模擬。
虛擬現實是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統(其中虛擬世界是全體虛擬環境的總稱)。通過虛擬現實系統所建立的信息空間，已不再是單純的數字信息空間，而是一個包容多種信息的多維化的信息空間(Cyberspace)，人類的感性認識和理性認識能力都能在這個多維化的信息空間中得到充分的發揮。
要創建一個能讓參與者具有身臨其境感，具有完善地交互作用能力的虛擬現實系統，在硬體方面，需要高性能的計算機軟硬體和各類先進的感測器；軟體方面，主要是需要提供一個能產生虛擬環境的工具集。
虛擬現實技術的特徵
VR用三個「I」，「Immersion」、「Interaction」、「Imagination」來說明虛擬現實的特徵，即沉浸、交互、想像，三者缺一不可。
1、沉浸性(Immersion)
是指用戶作為主角存在於虛擬環境中的真實程度。使用者戴上頭盔顯示器和數據手套等交互設備，便可將自己置身於虛擬環境中，成為虛擬環境中的一員。使用者與虛擬環境中的各種對象的相互作用，就如同在現實世界中的一樣。使用者在虛擬環境中，一切感覺都是那麼逼真，有一種身臨其境的感覺。
2、交互性(Interaction)
是指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度。虛擬現實系統中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、滑鼠進行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數據手套等感測設備進行交互。計算機能根據使用者的頭、手、眼、語言及身體的運動，來調整系統呈現的圖像及聲音。使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能，就能對虛擬環境中的對象進行考察或操作。
3、多感知性(Imagination)。
由於虛擬現實系統中裝有視、聽、觸、動覺的感測及反應裝置，因此，使用者在虛擬環境中通過人機交互，可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而達到身臨其境的感受。研究和開發VR是為了擴展人類的認知與感知能力，建立和諧的人機環境。VR技術是人與技術完善的結合，它是計算機圖形學和人-機交互技術發展之產物，人在整個系統中佔有十分重要的地位。利用VR技術的手段，使我們對所研究的對象和環境獲得「身臨其境」的感受，從而提高人類認知的廣度與深度，拓寬人類認識客觀世界的「認識空間」和「方法空間」，最終達到更本質地反映客觀世界的實質。
沉浸式VR系統
沉浸式VR系統利用頭盔顯示器和數據手套等各種交互設備把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，而使用戶真正成為VR系統內部的一個參與者，並能利用這些交互設備操作和駕馭虛擬環境，產生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。
沉浸式VR系統的特點
① 高度的沉浸感。
沉浸式VR系統採用多種輸入與輸出設備來營造一個虛擬的世界，並使用戶沉浸於其中，同時還可以使用戶與真實世界完全隔離，不受外面真實世界的影響。
② 高度實時性。
在虛擬世界中要達到與真實世界相同的感覺，如當人運動時，空間位置跟蹤定位設備需及時檢測到，並且經過計算機運算，輸出相應的場景變化，並且這個變化必需是及時的，延遲時間要很小。
沉浸式VR系統的基本組成
沉浸式VR系統的分類
常見的沉浸式VR系統有：基於頭盔式顯示器的VR系統、投影式VR系統、遙在系統。
基於頭盔式顯示器採用頭盔式顯示器或投影式VR系統是或投影式顯示系統來實現完全投入。它把現實世界與之隔離，使參與者從聽覺到視覺都能投入到虛擬環境中去。
遙在系統是一種遠程控制形式，常用於VR系統與機器人技術相結合的系統。
VR沉浸式技術的發展趨勢
沉浸式技術正在快速發展，一定程度上改變了消費者、企業與數字世界的互動方式。用戶期望更大程度上從2D界面轉移到更身臨其境的3D世界，從3D捕捉更豐富、更平滑的圖景，從3D獲得新的體驗。
在未來五年：3D介面及相關技術環節將發生連續變化，人工智慧有望從2018年開始對沉浸式解決方案產生更大的影響，包括添加個性化元素。
第一：使用3D輸入/出介面取代傳統的平面交互
人工智慧和計算機視覺技術的進步將為3D圖像掃描、創建和消費者用戶案例提供更多的價值。預計計算機視覺功能將越來越多地嵌入智能手機和智能終端。亞馬遜最近投資於人體實驗室，用於3D人體模型掃描。一些初創企業和公司，如Styku和Bodi.me，正在推動3D人體掃描，以實現對衣服的虛擬試穿和健康狀況評估。
空間音頻的進步可以為用戶提供既能將聲音放置在3D環境中，又能檢測出聲音位置來源的體驗。Google VR音頻系統創建多個虛擬揚聲器來再現聲波。空間音頻的進步可以為用戶提供在三維環境中放置聲音以及探測聲音的位置源的體驗，而DearVR空間連接簡化了集成音頻之間的互動環境和3D空間渲染。
智能手機廠商的強大投資，為3D深度感知成為智能手機的標配功能開闢了道路。蘋果公司已經將3D深度感測技術嵌入到新的iphone x中。它使用了Tof深度感測器。索尼推出了其Xperia xz1系列的3D創建者應用程序，該應用程序通過用單個攝像頭從多個角度拍攝物體或表面來創建3D圖像。Gartner預計，中國、韓國等其他手機大公司將在2018年迅速效仿這一做法。
最近，高通和奇景光電宣布合作，利用結構光模塊（SLIM）3d depthsensing提升Android智能手機的功能；英特爾的RealSense 3D感測攝像頭解決方案已經嵌入在個人電腦和平板電腦；Windows 10支持的混合PC機中的3D攝像機已用於windows系統進入驗證。
微軟正積極推動3D、混合現實與其全息鏡頭的融合，其Windows 10於2017年10月發布的更新，提供了許多3D工具，如繪製3D或啟用3D對象到Office。微軟最近收購了社交VR公司altspaceVR。臉譜網推出了它的社交VR平台臉譜網空間。
在室內使用3D全息廣告平台正在變得可行，商業化的供應商如三星、英特爾、國家地理、天空和百事可樂等主要品牌正在加快3D全息圖布局，以提高產品和品牌體驗。隨著廠商不斷提高產品知名度，主流產品的價格不斷降低，相機市場正在發生變化。像臉譜網這樣的公司通過提供一個平台來創建和分享虛擬內容，正有效地激發用戶的興趣。
沉浸式技術的進步，加上人工智慧和計算機視覺，將重塑用戶與數字世界、現實世界互動的未來。從使用3D獲取更豐富、平滑的輸入，到使用3D來呈現新體驗，用戶的期望將從2D界面逐漸轉向更豐富、更沉浸式的3D世界。
對於涉及與3D技術合作的戰略規劃者，需要快速建立與圖像處理、專業軟體、圖像感測器公司的關係，這將是在價值鏈中佔領高地的關鍵。這一價值鏈將圍繞3D移動設備和智能手機市場增長而增長。5G網路、專註於人機界面(HCI)改進的專用AI晶元將加速這一競爭。
第二：更豐富的智能設備的形象
智能手機攝像頭幫助用戶生成以家人、朋友、同事為主題的數字內容，導致那些在全球廣泛共享的照片和視頻內容快速增長。對於AR、VR、MR的成長，一個關鍵的組成部分將是豐富。栩栩如生和動畫體驗的形象。這些體驗將真實地反映用戶的生理和性格，從而提升在虛擬環境中所需的親密感並實現共存。
在協作環境中，呼聲最高的往往是「更多的對象」，製造商將越來越多地填補空白，提供下一代產品目錄，使用圖像識別將真實的場景、準確的雲描述、數字孿生（Digital Twin）聯繫起來。然而，要真正讓用戶感覺完全沉浸在虛擬環境中，就需要一個虛擬形象來代表和描繪用戶。
虛擬形象是一個圖標或人物，代表一個特定的人在一個視頻遊戲、社會環境或虛擬空間。幾十年來，虛擬人類互動實驗室(VHIL)一直在探索從面部表情到身體位置等虛擬人的視覺描繪的細微差別，以及它們如何對社會互動產生明確的影響。
一是語音技術。例如，亞馬遜在2017年推出了它的語音標記功能，允許開發人員通過同步語音和面部動畫來進行唇同步。
二是面部跟蹤技術。臉譜網展示了今年早些時候的社會虛擬實驗。通過機器學習工具從2d照片中推斷3D模型。例如：loom.ai通過機器學習將自拍轉換為個人3D形象，並以內嵌式自動實現頭像的創建過程。它使用公共API和視覺效果(VFX)創建逼真的可視化，然後可以動畫化，並用於一系列應用程序。
三是人體掃描技術。多倫多的ITSME這樣的公司使用全身掃描，並且能夠在掃描後的一分鐘內創建一個個人的3D形象。它的第一款產品ITSMIJI，允許個性化形象作為表情符號。
這些技術也將在消費環境中發揮作用，用戶當前不存在於社會虛擬現實中，將能夠支持基本的自動化交互。像Furhat機器人公司這樣的動畫廠商也將擴大業務，提供品牌體驗，利用應用於酒店、商店、交通樞紐和其他公共場所的ARVR技術。
第三：戴式顯示器的主流
頭盔顯示器將從2016的1,600萬台增長到2021年的6,700萬台(複合年增長率為33%)。在這個預測期內，ARHMD將增長到這一數量的近一半。由於蘋果和谷歌等領先廠商發布了各自的平台ARkit和ARcore，開發者和消費者的關注度有所提高。
AR是一組技術集合，提供一種將物理世界與數字信息結合在一起的體驗和用戶界面。智能手機實際上是消費者的個性化設備。智能手機上的一般消費者AR體驗很難獲得吸引力，這是因為形式因素(手持)限制了用戶的行為。大眾市場的用戶不願意不停地拿起手機到他們周圍的環境，以獲得更多的信息。
隨著時間的推移，這些設備將成為用戶的重要裝備，多模態（觸摸、手勢、語音和運動）和免提交互將成為這些設備的主流功能。消費者將開始轉變，從智能手機到HMDS，以更透明、更直觀的方式與物理和數字世界互動。
計算機視覺等技術將使消費者能夠直觀地搜索和識別其物理環境。目前，虛擬現實的銷售額絕大多數來源於頭盔顯示器，主要是索尼PSVR，Oculus Rift和HTC；移動設備如三星的GearVR。
另一方面，AR的興趣更多地集中在企業的使用上，消費者的使用受到硬體成熟度、用戶體驗、受眾範圍、隱私等因素的阻礙。隨著時間的推移，技術使AR體驗更加舒暢，性價比更高，我們預計ARhmd銷售將超過VRhmd銷售。
這也是因為AR可以作為用戶在物理世界和數字世界之間的用戶界面，而VR僅限於純數字再現的交互。
第四：虛擬與現實的交互
Gartner預計，到2020年，增強現實和虛擬現實將合併他們的特性和功能。預計，微軟的其他技術供應商可能在2018年和2019年推出更便宜的MR硬體。混合現實是市場中的一種沉浸式解決方案，不像AR和VR那麼成熟，這項技術是通過一個帶有透明鏡頭的耳機，將3D圖形疊加到真實世界的視圖上。
MR促進了複雜的用戶體驗，增強了真實世界的視覺覆蓋、音頻和觸覺反饋。混合現實目前處於早期階段，以航空航天、空間探索、汽車製造、建築和設計、醫療保健等領域為中心正在進行試點。該技術使企業能夠使用複雜的多通道和多視覺體驗來橋接物理真實世界和虛幻世界。
更自然的是，與3D對象和數字世界進行交互，並提供虛擬和真實環境的更靈活的集成，支持在業務和虛擬現實中更廣泛的協作場景。可視化和定製新車、新房子、新的互動遊戲、新的購物或娛樂體驗（博物館或旅遊目的地）等方面將潛伏商機。
第五，硬體與市場的整合
沉浸式技術包括增強現實技術、虛擬現實技術和混合現實技術。AR與實際環境相關度較高，VR使得用戶被放置到充分的虛擬環境中，MR把虛擬對象被插入到實際環境中。谷歌和蘋果兩家公司，都在積極關注身臨其境的體驗，並將其帶給主流用戶。
最近推出的ARcore，旨在使AR開發人員能夠不需要特殊的深度感測器來操作安卓系統。蘋果的關注點是AR，因為蘋果已經發布了ARkit(IOS 11的一部分)。iPhoneX也有一個正面的3D深度感測相機，將允許用戶查看三維的世界。微軟是市場的領導者，它的全息透鏡設備正在引領未來。
沉浸式設備和技術的現實市場非常分散，就像蘋果、微軟和谷歌等科技巨頭的新興科技市場一樣，如今佔據的市場份額不到15%。所有這三家領先的技術供應商都對沉浸式的現實市場抱有很高的期望。他們希望在這些市場上獲勝，因為這是用戶如何與設備以及物理和虛擬世界互動的一個新興前沿。
目前，AR、VR和MR更像是一個單獨的市場，每個市場都有特定的參與者。沉浸式現實解決方案的成功不僅取決於硬體/設備的可用性和能力，還取決於內容、開發人員的支持和生態系統。
因此，預計沉浸式現實市場將在2018和2019年經歷大量整合，將看到更大的平台領導者出現，比如谷歌、微軟和蘋果、臉譜網等，技術的進步也將推動未來三至五年內AR、VR和MR市場的融合，因為新的設備將能夠支持不同層次的沉浸體驗。
沉浸式技術若要使得用戶與內容和媒體之間的互動更加愉快、充實，我們還有很多工作需要做。而這一切的實現主要取決於將用戶置於其價值主張核心的技術設計。
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