1.虛擬現(xiàn)實(shí)概論（Virtual Reality，VR）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合了計算機(jī)、傳感器、圖形圖像、通信、測控多媒體、人工智能等多種技術(shù)，通過給用戶同時提供視覺、觸覺、聽覺等感官信息，使用戶如同親歷其境一般。借助于計算機(jī)系統(tǒng)，用戶可以生成一個自定義的三維空間。用戶置身于該環(huán)境中，借助輕便的跟蹤器、傳感器、顯示器等多維輸入輸出設(shè)備，去感知和研究客觀世界。在虛擬環(huán)境中，用戶可以自由運(yùn)動，隨意觀察周圍事物并隨時添加所需信息。借助于虛擬現(xiàn)實(shí)，用戶可以突破時空域的限制，優(yōu)化自身的感官感受，極大地提高了對客觀世界的認(rèn)識水平。
虛擬現(xiàn)實(shí)有交互性（Interaction）、沉浸性（Immersion）和想象性(Imagination)三大特點(diǎn)，也被稱為?3I?特點(diǎn)。借助?3I?特點(diǎn)，通常可以將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和可視化技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和計算機(jī)圖形圖像等技術(shù)相區(qū)別。交互性是指用戶與模擬仿真出來的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之間可以進(jìn)行溝通和交流。由于虛擬場景是對真實(shí)場景的完整模擬，因此可以得到與真實(shí)場景相同的響應(yīng)。用戶在真實(shí)世界中任何操作，均可以在虛擬環(huán)境中完整體現(xiàn)。例如，用戶可以抓取場景中的虛擬物體，這時不僅手有觸摸感，同時還能感覺到物體的重量、溫度等信息。沉浸性是指用戶在虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境中感受的真實(shí)程度。從用戶角度講，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展過程就是提高沉浸性的過程。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，應(yīng)該使用戶真假難辨，甚至超越真實(shí)，獲得比真實(shí)環(huán)境中更逼真的視覺、嗅覺、聽覺等感官體驗。想象性則是身處虛擬場景中的用戶，利用場景提供的多維信息，發(fā)揮主觀能動性，依靠自己的學(xué)習(xí)能力在更大范圍內(nèi)獲取知識。 隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也日趨成熟，這種更接近于自然的人機(jī)交互方式，大大降低了認(rèn)知門檻，提高了工作效率。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)從過去的軍事和航空領(lǐng)域，拓展到建筑設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計、科學(xué)計算可視化、遠(yuǎn)程服務(wù)和娛樂等眾多民用領(lǐng)域，尤其在手術(shù)導(dǎo)航和城市規(guī)劃方面有非常重要的應(yīng)用。臨床上使用的外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，大部分都是采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為醫(yī)生提供了病灶部位的虛擬影像和計算機(jī)生成的其他輔助信號，醫(yī)生通過計算機(jī)和其他設(shè)備實(shí)時得到視覺、觸覺、聽覺信息，為手術(shù)選擇合適路徑。作為一種全新的信息處理方式，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給人類帶來全新的生活體驗。

2.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)概論（Augment Reality，AR）

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，也被稱為混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Mixed Reality，MR)，是伴隨著計算機(jī)水平的提高而發(fā)展來的一門新技術(shù)。它以計算機(jī)為工具，將人為構(gòu)建的輔助型虛擬信息應(yīng)用到真實(shí)世界，使虛擬的物體信息和真實(shí)的環(huán)境信息相疊加到同一個畫面或空間，同時呈遞給用戶被用戶感知，獲得比真實(shí)世界更豐富的信息。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)由虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展而來。 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，于上世紀(jì)?90?年代初興起的。它也是一種以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的人機(jī)交互技術(shù)，但與虛擬現(xiàn)實(shí)不同，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是要在真實(shí)場景中添加計算機(jī)虛擬產(chǎn)生的物體信息，達(dá)到“虛實(shí)融合”的效果，提高用戶對真實(shí)世界的感知能力。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)借助于多種設(shè)備，如光學(xué)透視式頭盔顯示器（SHMD）或不同成像原理的立體眼鏡等，使虛擬得到的物體疊加到真實(shí)場景中，同時出現(xiàn)在用戶的視場中。用戶在不丟失真實(shí)場景信息的前提下，可以獲得虛擬物體的信息并與之交互。相比于虛擬現(xiàn)實(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)要更復(fù)雜，因此對相關(guān)技術(shù)要求更高，除了計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、人機(jī)界面、傳感器、移動計算、分布式計算、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息可視化等技術(shù)之外，還對心理學(xué)、人機(jī)工程學(xué)等有比較高的要求。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過分析大量數(shù)據(jù)獲取場景中各種位置信息，以便將計算機(jī)生成的虛擬物體以合適的姿態(tài)精確地定位到真實(shí)場景中特定位置。構(gòu)建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一般包括四個基本步驟： （1）利用攝像機(jī)獲取真實(shí)場景信息； （2）建立不同坐標(biāo)系之間關(guān)系，對真實(shí)場景與攝像機(jī)相關(guān)位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析； （3）利用計算機(jī)生成所需虛擬物體； （4）將虛擬物體和真實(shí)場景在顯示器中進(jìn)行顯示。建立一個增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的原理如圖?所示。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，成像設(shè)備、交互技術(shù)、跟蹤與定位技術(shù)被稱為三大支撐技術(shù)。 ?

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)借助于多種顯示設(shè)備來顯示真實(shí)場景和虛擬物體疊加后的圖像，如?S-HMD。S-HMD?使用了一種稱為分光器的分光鏡，能夠?qū)⑵渖喜康囊壕э@示器中的影像反射到用戶眼睛中，同時不會妨礙真實(shí)環(huán)境中的光線穿透進(jìn)去，于是虛擬物體信息和真實(shí)場景信息同時被用戶獲得，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。雖然這種顯示技術(shù)原理簡單，技術(shù)成熟，但由于設(shè)備過于笨重，佩戴后不舒適，因此實(shí)際中更多使用其他商業(yè)化的顯示系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)虛擬物體和真實(shí)場景的完美融合，必須要確定虛擬物體與真實(shí)場景融合后的準(zhǔn)確位置。跟蹤定位系統(tǒng)便是要實(shí)時監(jiān)測場景中觀察者位置和姿態(tài)、觀察方向和運(yùn)動狀態(tài)，以觀察者視場為基準(zhǔn)建立坐標(biāo)系，通過仿射變換得到虛擬物體的正確顯示位置。大多數(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)使用視頻檢測的跟蹤定位方式，即識別視頻中的特定標(biāo)志點(diǎn)，根據(jù)不同標(biāo)志點(diǎn)的位置信息計算獲得整個場景的位置信息。視頻檢測的方式定位精度高，不再需要其他設(shè)備，是目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的一大熱點(diǎn)。由于在現(xiàn)實(shí)世界中與虛擬信息交互比較困難，大多數(shù)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)依然在使用菜單的交互方式。
?增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用了部分與虛擬現(xiàn)實(shí)相似的技術(shù)，但是兩者也有顯著的差異：虛擬現(xiàn)實(shí)是用虛擬場景代替真實(shí)場景，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則是以真實(shí)場景為背景，加入虛擬信息作為補(bǔ)充。用戶與真實(shí)場景交互的同時，計算機(jī)可以收集到真實(shí)場景中各種輔助信息。在醫(yī)學(xué)上，人體的結(jié)構(gòu)解剖數(shù)據(jù)可經(jīng)由計算機(jī)進(jìn)行可視化處理，重構(gòu)出的虛擬影像可以在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中實(shí)時投影到患者相應(yīng)位置，醫(yī)生便可以通過成像設(shè)備透過患者表皮看到內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確定位病灶，提高手術(shù)質(zhì)量。虛擬現(xiàn)實(shí)只是把真實(shí)世界展示給用戶，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則是把虛擬世界和真實(shí)世界同時展示給用戶，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合。它能為人們探索宏觀世界和微觀世界提供極大的便利，具有很好的經(jīng)濟(jì)、社會效益和誘人的發(fā)展前景。

總結(jié)

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