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VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)是怎樣沉浸的

 阿明哥哥資料區(qū) 2018-05-11


虛擬現(xiàn)實(Viaual Reality,簡稱VR)作為一種綜合計算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)而發(fā)展起來的計算機(jī)領(lǐng)域的新技術(shù),目前所涉及的研究應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)包括軍事、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、教育、科研、商業(yè)、影視、娛樂、制造業(yè)、工程訓(xùn)練等。VR技術(shù)已經(jīng)被公認(rèn)為是21世紀(jì)重要的發(fā)展學(xué)科以及影響人們生活的重要技術(shù)之一。



VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)


自從計算機(jī)發(fā)明以來,計算機(jī)一直是傳統(tǒng)信息處理環(huán)境的主體,它只具有在數(shù)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(rèn)知能力全方位的獲取知識,是在多維化的信息空間中認(rèn)識問題。這樣就產(chǎn)生了人類認(rèn)識問題的認(rèn)識空間與計算機(jī)處理問題的信息空間不一致的矛盾,人類被排斥在計算機(jī)為主體的信息處理環(huán)境之外,而且較難以直接理解信息處理工具的處理結(jié)果,更難以把人類的感知能力和認(rèn)知經(jīng)驗與計算機(jī)信息處理環(huán)境直接聯(lián)系起來。因此,人們迫切需要突破現(xiàn)有的數(shù)字計算機(jī)只能處理單純數(shù)字信息的限制,建立一個能包容圖像、聲音、化學(xué)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(jié)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(huán)境中去,這種信息處理環(huán)境被稱為虛擬環(huán)境。虛擬環(huán)境是由計算機(jī)生成的,通過視、聽、觸覺等作用于用戶,使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真。


虛擬現(xiàn)實是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)(其中虛擬世界是全體虛擬環(huán)境的總稱)。通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所建立的信息空間,已不再是單純的數(shù)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(rèn)識和理性認(rèn)識能力都能在這個多維化的信息空間中得到充分的發(fā)揮。


要創(chuàng)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(xiàn)實系統(tǒng),在硬件方面,需要高性能的計算機(jī)軟硬件和各類先進(jìn)的傳感器;軟件方面,主要是需要提供一個能產(chǎn)生虛擬環(huán)境的工具集。



虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征


VR用三個“I”,“Immersion”、“Interaction”、“Imagination”來說明虛擬現(xiàn)實的特征,即沉浸、交互、想象,三者缺一不可。



1、沉浸性(Immersion)

是指用戶作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實程度。使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備,便可將自己置身于虛擬環(huán)境中,成為虛擬環(huán)境中的一員。使用者與虛擬環(huán)境中的各種對象的相互作用,就如同在現(xiàn)實世界中的一樣。使用者在虛擬環(huán)境中,一切感覺都是那么逼真,有一種身臨其境的感覺。


2、交互性(Interaction)

是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機(jī)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、鼠標(biāo)進(jìn)行交互,而且能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進(jìn)行交互。計算機(jī)能根據(jù)使用者的頭、手、眼、語言及身體的運(yùn)動,來調(diào)整系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像及聲音。使用者通過自身的語言、身體運(yùn)動或動作等自然技能,就能對虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行考察或操作。


3、多感知性(Imagination)。

由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應(yīng)裝置,因此,使用者在虛擬環(huán)境中通過人機(jī)交互,可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知,從而達(dá)到身臨其境的感受。研究和開發(fā)VR是為了擴(kuò)展人類的認(rèn)知與感知能力,建立和諧的人機(jī)環(huán)境。VR技術(shù)是人與技術(shù)完善的結(jié)合,它是計算機(jī)圖形學(xué)和人-機(jī)交互技術(shù)發(fā)展之產(chǎn)物,人在整個系統(tǒng)中占有十分重要的地位。利用VR技術(shù)的手段,使我們對所研究的對象和環(huán)境獲得“身臨其境”的感受,從而提高人類認(rèn)知的廣度與深度,拓寬人類認(rèn)識客觀世界的“認(rèn)識空間”和“方法空間”,最終達(dá)到更本質(zhì)地反映客觀世界的實質(zhì)。


沉浸式VR系統(tǒng)


沉浸式VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等各種交互設(shè)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(tǒng)內(nèi)部的一個參與者,并能利用這些交互設(shè)備操作和駕馭虛擬環(huán)境,產(chǎn)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(tǒng)的特點(diǎn)


① 高度的沉浸感。

沉浸式VR系統(tǒng)采用多種輸入與輸出設(shè)備來營造一個虛擬的世界,并使用戶沉浸于其中,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(dá)到與真實世界相同的感覺,如當(dāng)人運(yùn)動時,空間位置跟蹤定位設(shè)備需及時檢測到,并且經(jīng)過計算機(jī)運(yùn)算,輸出相應(yīng)的場景變化,并且這個變化必需是及時的,延遲時間要很小。

 

沉浸式VR系統(tǒng)的基本組成


沉浸式VR系統(tǒng)的分類


常見的沉浸式VR系統(tǒng)有:基于頭盔式顯示器的VR系統(tǒng)、投影式VR系統(tǒng)、遙在系統(tǒng)。


基于頭盔式顯示器采用頭盔式顯示器或投影式VR系統(tǒng)是或投影式顯示系統(tǒng)來實現(xiàn)完全投入。它把現(xiàn)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(huán)境中去。


遙在系統(tǒng)是一種遠(yuǎn)程控制形式,常用于VR系統(tǒng)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)。


VR沉浸式技術(shù)的發(fā)展趨勢


沉浸式技術(shù)正在快速發(fā)展,一定程度上改變了消費(fèi)者、企業(yè)與數(shù)字世界的互動方式。用戶期望更大程度上從2D界面轉(zhuǎn)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接口及相關(guān)技術(shù)環(huán)節(jié)將發(fā)生連續(xù)變化,人工智能有望從2018年開始對沉浸式解決方案產(chǎn)生更大的影響,包括添加個性化元素。


第一:使用3D輸入/出接口取代傳統(tǒng)的平面交互


人工智能和計算機(jī)視覺技術(shù)的進(jìn)步將為3D圖像掃描、創(chuàng)建和消費(fèi)者用戶案例提供更多的價值。預(yù)計計算機(jī)視覺功能將越來越多地嵌入智能手機(jī)和智能終端。亞馬遜最近投資于人體實驗室,用于3D人體模型掃描。一些初創(chuàng)企業(yè)和公司,如Styku和Bodi.me,正在推動3D人體掃描,以實現(xiàn)對衣服的虛擬試穿和健康狀況評估。


空間音頻的進(jìn)步可以為用戶提供既能將聲音放置在3D環(huán)境中,又能檢測出聲音位置來源的體驗。Google VR音頻系統(tǒng)創(chuàng)建多個虛擬揚(yáng)聲器來再現(xiàn)聲波??臻g音頻的進(jìn)步可以為用戶提供在三維環(huán)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(huán)境和3D空間渲染。


智能手機(jī)廠商的強(qiáng)大投資,為3D深度感知成為智能手機(jī)的標(biāo)配功能開辟了道路。蘋果公司已經(jīng)將3D深度傳感技術(shù)嵌入到新的iphone x中。它使用了Tof深度傳感器。索尼推出了其Xperia xz1系列的3D創(chuàng)建者應(yīng)用程序,該應(yīng)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(chuàng)建3D圖像。Gartner預(yù)計,中國、韓國等其他手機(jī)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(jié)構(gòu)光模塊(SLIM)3d depthsensing提升Android智能手機(jī)的功能;英特爾的RealSense 3D傳感攝像頭解決方案已經(jīng)嵌入在個人電腦和平板電腦;Windows 10支持的混合PC機(jī)中的3D攝像機(jī)已用于windows系統(tǒng)進(jìn)入驗證。


微軟正積極推動3D、混合現(xiàn)實與其全息鏡頭的融合,其Windows 10于2017年10月發(fā)布的更新,提供了許多3D工具,如繪制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(wǎng)推出了它的社交VR平臺臉譜網(wǎng)空間。


在室內(nèi)使用3D全息廣告平臺正在變得可行,商業(yè)化的供應(yīng)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(chǎn)品和品牌體驗。隨著廠商不斷提高產(chǎn)品知名度,主流產(chǎn)品的價格不斷降低,相機(jī)市場正在發(fā)生變化。像臉譜網(wǎng)這樣的公司通過提供一個平臺來創(chuàng)建和分享虛擬內(nèi)容,正有效地激發(fā)用戶的興趣。


沉浸式技術(shù)的進(jìn)步,加上人工智能和計算機(jī)視覺,將重塑用戶與數(shù)字世界、現(xiàn)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(xiàn)新體驗,用戶的期望將從2D界面逐漸轉(zhuǎn)向更豐富、更沉浸式的3D世界。


對于涉及與3D技術(shù)合作的戰(zhàn)略規(guī)劃者,需要快速建立與圖像處理、專業(yè)軟件、圖像傳感器公司的關(guān)系,這將是在價值鏈中占領(lǐng)高地的關(guān)鍵。這一價值鏈將圍繞3D移動設(shè)備和智能手機(jī)市場增長而增長。5G網(wǎng)絡(luò)、專注于人機(jī)界面(HCI)改進(jìn)的專用AI芯片將加速這一競爭。


第二:更豐富的智能設(shè)備的形象



智能手機(jī)攝像頭幫助用戶生成以家人、朋友、同事為主題的數(shù)字內(nèi)容,導(dǎo)致那些在全球廣泛共享的照片和視頻內(nèi)容快速增長。對于AR、VR、MR的成長,一個關(guān)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(huán)境中所需的親密感并實現(xiàn)共存。


在協(xié)作環(huán)境中,呼聲最高的往往是“更多的對象”,制造商將越來越多地填補(bǔ)空白,提供下一代產(chǎn)品目錄,使用圖像識別將真實的場景、準(zhǔn)確的云描述、數(shù)字孿生(Digital Twin)聯(lián)系起來。然而,要真正讓用戶感覺完全沉浸在虛擬環(huán)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(biāo)或人物,代表一個特定的人在一個視頻游戲、社會環(huán)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(xì)微差別,以及它們?nèi)绾螌ι鐣赢a(chǎn)生明確的影響。


一是語音技術(shù)。例如,亞馬遜在2017年推出了它的語音標(biāo)記功能,允許開發(fā)人員通過同步語音和面部動畫來進(jìn)行唇同步。


二是面部跟蹤技術(shù)。臉譜網(wǎng)展示了今年早些時候的社會虛擬實驗。通過機(jī)器學(xué)習(xí)工具從2d照片中推斷3D模型。例如:loom.ai通過機(jī)器學(xué)習(xí)將自拍轉(zhuǎn)換為個人3D形象,并以內(nèi)嵌式自動實現(xiàn)頭像的創(chuàng)建過程。它使用公共API和視覺效果(VFX)創(chuàng)建逼真的可視化,然后可以動畫化,并用于一系列應(yīng)用程序。


三是人體掃描技術(shù)。多倫多的ITSME這樣的公司使用全身掃描,并且能夠在掃描后的一分鐘內(nèi)創(chuàng)建一個個人的3D形象。它的第一款產(chǎn)品ITSMIJI,允許個性化形象作為表情符號。


這些技術(shù)也將在消費(fèi)環(huán)境中發(fā)揮作用,用戶當(dāng)前不存在于社會虛擬現(xiàn)實中,將能夠支持基本的自動化交互。像Furhat機(jī)器人公司這樣的動畫廠商也將擴(kuò)大業(yè)務(wù),提供品牌體驗,利用應(yīng)用于酒店、商店、交通樞紐和其他公共場所的ARVR技術(shù)。


第三:戴式顯示器的主流


頭盔顯示器將從2016的1,600萬臺增長到2021年的6,700萬臺(復(fù)合年增長率為33%)。在這個預(yù)測期內(nèi),ARHMD將增長到這一數(shù)量的近一半。由于蘋果和谷歌等領(lǐng)先廠商發(fā)布了各自的平臺ARkit和ARcore,開發(fā)者和消費(fèi)者的關(guān)注度有所提高。

AR是一組技術(shù)集合,提供一種將物理世界與數(shù)字信息結(jié)合在一起的體驗和用戶界面。智能手機(jī)實際上是消費(fèi)者的個性化設(shè)備。智能手機(jī)上的一般消費(fèi)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。大眾市場的用戶不愿意不停地拿起手機(jī)到他們周圍的環(huán)境,以獲得更多的信息。


隨著時間的推移,這些設(shè)備將成為用戶的重要裝備,多模態(tài)(觸摸、手勢、語音和運(yùn)動)和免提交互將成為這些設(shè)備的主流功能。消費(fèi)者將開始轉(zhuǎn)變,從智能手機(jī)到HMDS,以更透明、更直觀的方式與物理和數(shù)字世界互動。


計算機(jī)視覺等技術(shù)將使消費(fèi)者能夠直觀地搜索和識別其物理環(huán)境。目前,虛擬現(xiàn)實的銷售額絕大多數(shù)來源于頭盔顯示器,主要是索尼PSVR,Oculus Rift和HTC;移動設(shè)備如三星的GearVR。


另一方面,AR的興趣更多地集中在企業(yè)的使用上,消費(fèi)者的使用受到硬件成熟度、用戶體驗、受眾范圍、隱私等因素的阻礙。隨著時間的推移,技術(shù)使AR體驗更加舒暢,性價比更高,我們預(yù)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(shù)字世界之間的用戶界面,而VR僅限于純數(shù)字再現(xiàn)的交互。


第四:虛擬與現(xiàn)實的交互



Gartner預(yù)計,到2020年,增強(qiáng)現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實將合并他們的特性和功能。預(yù)計,微軟的其他技術(shù)供應(yīng)商可能在2018年和2019年推出更便宜的MR硬件。混合現(xiàn)實是市場中的一種沉浸式解決方案,不像AR和VR那么成熟,這項技術(shù)是通過一個帶有透明鏡頭的耳機(jī),將3D圖形疊加到真實世界的視圖上。


MR促進(jìn)了復(fù)雜的用戶體驗,增強(qiáng)了真實世界的視覺覆蓋、音頻和觸覺反饋?;旌犀F(xiàn)實目前處于早期階段,以航空航天、空間探索、汽車制造、建筑和設(shè)計、醫(yī)療保健等領(lǐng)域為中心正在進(jìn)行試點(diǎn)。該技術(shù)使企業(yè)能夠使用復(fù)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(shù)字世界進(jìn)行交互,并提供虛擬和真實環(huán)境的更靈活的集成,支持在業(yè)務(wù)和虛擬現(xiàn)實中更廣泛的協(xié)作場景??梢暬投ㄖ菩萝嚒⑿路孔?、新的互動游戲、新的購物或娛樂體驗(博物館或旅游目的地)等方面將潛伏商機(jī)。


第五,硬件與市場的整合


沉浸式技術(shù)包括增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和混合現(xiàn)實技術(shù)。AR與實際環(huán)境相關(guān)度較高,VR使得用戶被放置到充分的虛擬環(huán)境中,MR把虛擬對象被插入到實際環(huán)境中。谷歌和蘋果兩家公司,都在積極關(guān)注身臨其境的體驗,并將其帶給主流用戶。


最近推出的ARcore,旨在使AR開發(fā)人員能夠不需要特殊的深度傳感器來操作安卓系統(tǒng)。蘋果的關(guān)注點(diǎn)是AR,因為蘋果已經(jīng)發(fā)布了ARkit(IOS 11的一部分)。iPhoneX也有一個正面的3D深度感測相機(jī),將允許用戶查看三維的世界。微軟是市場的領(lǐng)導(dǎo)者,它的全息透鏡設(shè)備正在引領(lǐng)未來。


沉浸式設(shè)備和技術(shù)的現(xiàn)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,如今占據(jù)的市場份額不到15%。所有這三家領(lǐng)先的技術(shù)供應(yīng)商都對沉浸式的現(xiàn)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(shè)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(dú)的市場,每個市場都有特定的參與者。沉浸式現(xiàn)實解決方案的成功不僅取決于硬件/設(shè)備的可用性和能力,還取決于內(nèi)容、開發(fā)人員的支持和生態(tài)系統(tǒng)。


因此,預(yù)計沉浸式現(xiàn)實市場將在2018和2019年經(jīng)歷大量整合,將看到更大的平臺領(lǐng)導(dǎo)者出現(xiàn),比如谷歌、微軟和蘋果、臉譜網(wǎng)等,技術(shù)的進(jìn)步也將推動未來三至五年內(nèi)AR、VR和MR市場的融合,因為新的設(shè)備將能夠支持不同層次的沉浸體驗。


沉浸式技術(shù)若要使得用戶與內(nèi)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(xiàn)主要取決于將用戶置于其價值主張核心的技術(shù)設(shè)計。



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