8.1.1 虚拟技术的概念
虚拟现实VR（Virtual Reality）是利用计算设备模拟产生一个三维的虚拟世界，提供用户关于视觉、听觉等感官的模拟，有十足的沉浸感与临场感。虚拟现实技术最为显著的特点就是能够帮助用户在虚拟的世界中产生身临其境的感觉。人们通过借助虚拟现实技术，将传感器和显示器等设备进行相连，使得人们在虚拟的场景中真实地感受到虚拟场景中的事物，从而获取更高的满足感和体验感。同时，虚拟现实技术具有很强的交互感，人们能够在构建的虚拟场景中直接与他人进行交流和互动，从而使得虚拟场景更加真实。设计师还能够通过融入自己的想象，仿真和模拟出真实的场景，从而获取更多的真实体验。典型的虚拟现实输出设备有Oculus Rift、HTCVive、Meta2 AR全息眼镜、Pico、Goovis、奇遇二代、暴风魔镜、千幻魔镜、华为VR等。图8-1为VR展示模拟效果。
图8-1 VR展示（模拟）
增强现实（AR）是一种将真实世界信息和虚拟世界信息无缝集成的新技术，它把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉、声音、味道、触觉等），通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间。
“增强现实”的字面解释就是现实就在这里，但是它被虚拟信息增强了，增强现实两个典型的系统是车载系统和智能手机系统，被讨论最多的AR设备是Google Glass，最时尚的AR眼镜Huawei Eyewear Smart。汽车在其车载系统当中也加入了AR应用，德国GMC汽车在其挡风玻璃上投射虚拟图像，让驾驶者不需要低头查看仪表的显示与资料，始终保持抬头的姿态，降低低头与抬头期间忽略外界环境的快速变化，以及眼睛焦距需要不断调整产生的延迟与不适，帮助驾驶者更好地感知路况信息，提高驾驶安全性。
智能手机上有很多应用都属于AR，当你打开应用，把手机摄像头对着某产品，手机屏幕上便会浮现这个产品的相关信息，比如名称、品牌，你可以根据手势移动翻转，放大或缩小。再比如美颜相机，也算是AR应用，而且AR引领互动式AR体验教学，变革传统教育模式，推动教育信息化转型升级。
区分VR、AR的一个简单方法，即VR需要用专用VR眼镜完成虚拟世界里的沉浸体验，你看到的是一个完全的虚拟世界；而AR需要清晰的头戴设备看清真实世界和重叠在上面的信息和图像，以现实世界的实体为主体，借助于数字技术帮助消费者更好地探索现实世界并与之交互，图8-2为AR辅助绘画软件使用场景。
图8-2 AR绘画技术
混合现实软硬件技术（MR）将真实世界和虚拟世界混合在一起来产生新的可视化环境，环境中同时包含了物理实体与虚拟信息，并且必须是实时的，MR是VR和AR各自发展的融合结果。混合现实广泛应用于语言翻译、计算机视觉、自定义视觉、自然语言理解、人脸识别、流式传输视频、机器学习、跨设备通知、机器人集成等领域。
暂且把图8-3叫作［现实-虚拟］区间。区间向左至无穷表示［现实环境］，依次向右为［增强现实（AR）］、［增强虚拟（AV）］，直到向右至无穷表示［虚拟环境］，而［混合现实］则包含了［增强现实］与［增强虚拟］。
图8-3 现实虚拟区间
增强现实将虚拟信息加在真实环境中，来增强真实环境；增强虚拟是将真实环境中的特性加在虚拟环境中。图8-4为游戏中的虚拟场景。手机中的赛车游戏与射击游戏，通过重力感应来调整方向和方位，就是通过重力传感器、陀螺仪等设备将真实世界中的重力、磁力等特性加到了虚拟世界中，MR的两大代表设备就是Hololens与Magic Leap。
图8-4 游戏中的增强虚拟场景
AR往往被看作是MR的其中一种形式，因此在当今业界，很多时候为了描述方便或者其他原因，就把AR也当作了MR的代名词，用AR代替了MR。从AR、MR概念来讲，AR和MR并没有明显的分界线，未来很可能也不再区分AR与MR。但是现今所谓的AR设备与MR设备，从所应用的技术和显示效果上来说，稍稍有所不同，以Google Glass代表的AR设备与以Hololens和Magic Leap为代表的MR设备可以区分AR和MR。第一，虚拟物体的相对位置是否随设备的移动而移动。如果是，就是AR设备；如果不是，就是MR设备。而Hololens也会在屋子墙壁上投射出一个天气面板，但是不同之处在于，不管你怎样在屋子中走动，或者转动头部，天气面板始终都在那面墙上，它不会由于你的移动而移动。第二，在理想状态下，数字光场没有信息损失，AR设备创造的虚拟物体，是可以明显看出是虚拟的，比如Google Glass投射出的随你而动的虚拟信息。而MR设备直接向视网膜投射整个4维光场，用户看到的虚拟物体和真实物体几乎是无法区分的。
影像现实（CR）的虚拟场景跟电影特效一样逼真，如图8-5所示。这是Google投资的Magic Leap提出的概念，主要为了强调与VR、AR技术的不同。实际上理念是类似的，均是模糊物理世界与虚拟世界的边界，所完成的任务、所应用的场景、所提供的内容，与MR产品是相似的。
图8-5 腾飞的鲨鱼后期效果
有一点很重要，就是Magic Leap并不是裸眼观看的，同样需要一个头戴显示器。
扩展现实（XR）包括了AR、VR、MR。XR分为多个层次，从通过有限传感器输入的虚拟世界到完全沉浸式的虚拟世界。
上海迪斯尼乐园的“加勒比海盗——沉没宝藏之战”和“翱翔——飞越地平线”项目充分体现了扩展现实技术上的体现，这也是上海迪斯尼乐园最受欢迎的两个项目，如图8-6所示。(www.xing528.com)
图8-6 上海迪斯尼乐园加勒比海盗项目场景
如图8-7所示，扩展现实集成了VR、AR、MR等虚拟技术，广泛应用于工程设计、医疗保健、工业制造和娱乐业等领域。Unity在2017年的游戏开发者大会上发布了XR Foundation Toolkit（XRFT），该软件被定义为：“XR开发人员的框架，同时允许任何人投身到XR开发中。”在上海2017世界移动通信大会上，美国高通公司再次提出XR的实现需要相关生态的完备，包括硬件和软件两个方面，考虑到硬件的高性能需求问题，预计需要直接从最新的骁龙835起步。另外，XR几乎可以应用到任何领域中，而不再像是VR刚刚提出时，很长一段时间被误解为是做游戏机的。
图8-7 扩展现实组合
XR有一个比较大的特征是将会摆脱线控，实现从PC端到移动端的跨越，这很可能是未来这一项技术得到普及的关键，不过也正是XR的野心，使得其对性能要求更高，需要更低的功耗、更小的尺寸、更强的扩展性。
人类希望能凭空看到一个虚拟物体，已经想了几百年了，各种科幻电影里也出现了很多在空气中的全息影像。全息投影技术也称虚拟成像技术，是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的技术，其不仅可以产生立体的空中幻象，还可以使幻象与表演者产生互动，一起完成表演，产生令人震撼的演出效果，体感互动系统能够将运动与娱乐融入您的生活中。
随着全息投影技术的飞速发展，其已与多个学科交叉融合，从而形成了不同领域的技术，并广泛应用于文化教育、舞台效果和文艺创作等方面。
在文化教育方面，全息投影技术可以突破有限的空间，用动态的、具有时间性和故事性的虚拟影像将历史文化展示出来，并使观众参与体验，寓教于乐。借助全息技术，将书中的插画进行视频播放，既形式多样，又富有趣味。通过电机及槽轮机带动影像源转台的旋转，给学生呈现出一种无观看死角的全方位展示效果，从而增强课堂教学的互动性和趣味性，使教学内容更形象直观。
如今全息投影技术在舞台效果、文艺创作上的应用也越来越多，一个三维的、纯光学的空间，便可传达在传统媒介上不能传达的图像信息。图8-8为G20晚会上的全息投影，全息投影在舞台中的应用，不仅可以产生立体的空中幻象，还可以使幻象与表演者产生互动，一起完成表演，产生令人震撼的演出效果。
图8-8 G20晚会西湖上的全息影像
3D全息数字舞台系统通过在舞台背景前设置多块有层次的全息幕，营造出传统舞台无法实现的梦幻效果。迈克尔·杰克逊、邓丽君、梅艳芳等歌手已通过全息投影技术复活，全息隔空对唱再现经典。全息投影技术使巴黎圣母院建筑的历史厚重感和现代虚拟现实技术的科技感完美结合在一起。2016年G20全息晚会惊艳投影刷爆各国政要朋友圈，全息投影技术应用有自己的独特特点，与湖面结合的效果让全息投影效果更加的绚丽，水中的倒影和全息投影膜的景象互相辉映，带来唯美的视觉体验，加上西湖的湖光山色，打造出的写意给各国政要留下了很深刻的印象。全息投影技术不仅出现在漫威英雄梦的荧屏上，如今也被应用到生活中的各个领域。
8.1.2 虚拟现实技术的特点
虚拟现实技术最为显著的特点就是能够帮助用户在虚拟的世界中产生身临其境的感觉。人们通过借助虚拟现实技术，将传感器和显示器等设备进行相连，使得人们在虚拟的场景中真实地感受到虚拟场景中的事物，从而获取更高的满足感和体验感；同时，虚拟现实技术具有很强的交互感，人们能够在构建的虚拟场景中直接地与他人进行交流和互动，从而使得虚拟场景更加真实。人们还能够通过融入自己的想象，仿真和模拟出真实的场景，从而获取更多的真实体验。
VR虚拟现实技术能够帮助数字媒体营造一个相对轻松的氛围，其具有逼真的视觉和听觉感受，能够帮助用户在欣赏创作时得到视觉和听觉的统一，从而丰富相互之间的交互体验。虚拟现实技术中包含的技术不仅仅是数字技术，还有很多现实中存在的新技术。例如网络技术的应用、仿真技术、计算机图形设计技术等。这些技术都是时代发展过程中的重要产物。
虚拟现实技术是利用高新手段还原现实世界中的事物，并对其进行有效建模的设计和构造，通过将这些现实中的事物在虚拟现实场景中进行应用，从而发挥出模拟现实的功能，并对设计项目进行演练。
同虚拟现实技术一样，增强现实技术显示系统是比较重要的内容，为了能够得到较为真实的增强现实系统，使得实际应用便利程度不断提升，使用色彩较为丰富的显示器是其重要基础，在这一基础上，显示器包含头盔显示器和非头盔显示设备等相关内容，透视式头盔能够为用户提供相关的逆序融合在一起的情境，这些系统在具体操作过程中，操作的原理和虚拟现实领域中的沉浸式头盔等内容之间相似程度比较高。其和使用者交互的接口及图像等综合在一起，使用更加真实有效的环境对其实施应用微型摄像机的形式拍摄外部环境图像，使计算机图像在得到有效处理的时候，可以和虚拟以及真实环境融合在一起，并且两者之间的图像也能够得以叠加。光学透视头盔显示器可以在这一基础上利用安装在用户眼前的半透半反光学合成器，充分和真实环境综合在一起，真实的场景可以在半透镜的基础上，为用户提供支持，并且满足用户的相关操作需要。
AR的关键技术之一是跟踪注册技术，为了实现虚拟信息和真实场景的无缝叠加，这就要求虚拟信息与真实环境在三维空间位置中进行配准注册。跟踪注册技术包括使用者的空间定位跟踪和虚拟物体在真实空间中的定位两个方面的内容；而移动设备摄像头与虚拟信息的位置需要相对应，这就需要通过跟踪技术来实现。跟踪注册技术首先检测需要“增强”的物体特征点以及轮廓，跟踪物体特征点自动生成二维或三维坐标信息。跟踪注册技术的好坏直接决定着增强现实系统的成功与否，常用的跟踪注册方法有基于跟踪器的注册、基于机器视觉跟踪注册、基于无线网络的混合跟踪注册技术。
增强现实技术在应用的时候，其目标是使得虚拟世界的相关内容在真实世界中得到叠加处理，在算法程序的应用基础上促使物体动感操作有效实现。当前，虚拟物体的生成是在三维建模技术的基础上得以实现的，能够充分体现出虚拟物体的真实感，在对增强现实动感模型研发的过程中，需要能够全方位和集体化对物体对象展示出来。虚拟物体生成的过程中，自然交互是其中比较重要的技术内容，在具体实施的时候，对现实技术有效实施有效辅助，使信息注册更好实现，利用图像标记实时监控外部输入信息内容，使得增强现实信息的操作效率能够提升，并且用户在信息处理的时候，可以有效实现信息内容的加工，提取其中有用的信息内容。
与在现实生活中不同，增强现实是将虚拟事物在现实中呈现，而交互就是帮助虚拟事物在现实中更好地呈现做准备，因此想要等到好的AR体验，交互就是其中的重中之重。
随着AR技术的成熟，AR越来越多地应用于各个行业，如教育、培训、医疗、设计、广告等。AR以其丰富的互动性为儿童教育产品的开发注入了新的活力，儿童的特点是活泼好动，运用AR技术开发的教育产品更适合儿童的生理和心理特性。例如现在市场上随处可见的AR书籍，对于低龄儿童来说，文字描述过于抽象，文字结合动态立体影像会让儿童快速掌握新的知识，丰富的交互方式更符合儿童活泼好动的特性，提高了儿童的学习积极性。在学龄教育中AR也发挥着越来越多的作用，如一些危险的化学实验及深奥难懂的数学、物理原理都可以通过AR使学生快速掌握。
AR技术被大量应用于博物馆、科技馆等对展品和技术的介绍说明中，该技术通过在展品上叠加虚拟文字、图片、视频等信息为游客提供展品导览介绍。此外，AR技术还可应用于文物复原展示，即在文物原址或残缺的文物上通过AR技术将复原部分与残存部分完美结合，使参观者了解文物原来的模样，达到身临其境的效果。
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