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AR和MR是什么

查看: 1619| 评论: 0 2016-12-2 04:10 PM| 发布者: administrator

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AR

Augmented Reality,增强现实,字面解释就是,「现实」就在这里,但是它被增强了。被谁增强了?被虚拟信息。两个典型的AR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。 

很多汽车在其车载系统当中加入了AR应用,比如,GMC在其挡风玻璃上投射虚拟图像,用意是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;或者帮助驾驶者更好地感知路况信息,提高驾驶安全性。 

智能手机上实际上有很多应用都属于AR,但是人们往往不会「上纲上线」地把它们称之为AR。比如一些LBS(基于地理位置的服务)应用,当你打开应用,把手机摄像头对着某幢大厦,手机屏幕上便会浮现这个大厦的相关信息,比如名称、楼层等等。再比如前段时间比较火的FaceU,也算是AR应用,它实时地捕捉用户的头部,并把类似「帽子」「彩虹」「兔子耳朵」这些虚拟信息叠加于用户的头部。 

Google Glass允许你与周围环境交互时,将通过眼镜上的「微型投影仪」把虚拟图像直接投射到你的视网膜,于是乎你看到的就是叠加过虚拟图像的现实世界。可能有盆友会疑惑了,那它跟Hololens和Magic Leap区别在哪?别急,继续往下看。

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MR

那么高潮来了,大多数盆友分不清的应该是AR和MR(Mixed Reality,混合现实,又称Hybrid Reality),不妨让我们先看一张图吧。

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我把暂且把这张图叫做「现实-虚拟」区间(reality-virtuality continuum)。依次为「现实环境(R E)」「增强信息(AI)」、「虚拟环境(VE)」,「混合现实(MR)」,,而「混合现实」则包含了「现实环境虚拟环境与「增强虚拟」。

增强现实(AR)上面解释过了,是将虚拟信息加在真实环境中,来增强真实环境;那么增强虚拟(AV)是什么?同样的道理,是将真实环境中的特性加在虚拟环境中。举个例子,手机中的赛车游戏与射击游戏,通过重力感应和来调整方向和方位,那么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。

那么MR定义是: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的两大代表设备就是Hololens与Magic Leap。

AR和MR该如何区分?

在上述定义下,AR往往被看做是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也当做了MR的代名词,用AR代替了MR。

再者,从业界鼓吹的概念来讲,AR和MR并没有明显的分界线,未来也很可能不再区分AR与MR。MR更多也只是Hololens和Magic Leap打出的噱头。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,还是稍稍有所不同的,所以我们这里还是讲讲这两类设备的区别(以Google Glass代表的AR设备与以Hololens与Magic Leap为代表的MR设备)。

为了好理解,我们就解释地通俗一点,有两点主要的不同。

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。举个例子,戴上Google Glass,它在你的左前方投射出一个「天气面板」,不管你怎样在屋子中走动,或者转动头部,天气面板一直都在你的左前方,它与你(或者Google Glass)的相对位置是不变的,你走到哪,就把它带到哪;而Hololens是怎样的呢,它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(这主要里涉及空间感知定位技术,SLAM,即时定位与地图构建,为其中最主要的之一,作用是让设备实时地获取周围的环境信息,才能精确地将虚拟物体放在正确的位置,所以无论用户的位置无论怎么变动,虚拟物体的位置都可以固定在房间中的同一个位置)。

第二,在理想状态下(数字光场没有信息损失),虚拟物体与真实物体是否能被区分。

AR设备创造的虚拟物体,是可以明显看出是虚拟的,比如FaceU在用户脸上打出的虚拟物品、Google Glass投射出的随你而动的虚拟信息;而Magic Leap,用户看到的虚拟物体和真实物体几乎是无法区分的(这里主要涉及数字光场技术,Digital Light Field。AR设备使用二维显示屏呈现虚拟信息,因此真假很容易分辨;而MR设备直接向视网膜投射整个4维光场,所以用户从Magic Leap看到的物体和看真实的物体,从数学上是没有什么区别的,是没有信息损失的)。 

当然,「AR设备」与「MR设备」的界限不是绝对的(甚至说这种界限是企业YY出来的),这里把它们分为这两类,主要是让大家明白他们所应用的技术和达到的效果是有所区别的。AR设备未来也会使用SLAM、数字光场以及视网膜投射等技术(比如Google 的Project Tango),这时AR也就演化为MR了吧。

Magic Leap并不是裸眼观看,同样需要一个头戴显示器

至于CR,是Magic Leap曾经宣扬的概念,说自己是Cinematic Reality,影像现实,意思是虚拟场景跟电影特效一样逼真。但是后来好像他们的发言人也把自己归做MR了。 

还有一点很重要,就是Magic Leap并不是裸眼观看的,不要被曾经红极一时的「鲸鱼视频」误导,Magic Leap同样需要一个头戴显示器,「鲸鱼视频」应该是后期做的特效。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。其实想想本质就知道,这事从物理上很难实现的:纯空气中没有可以反射或折射光的介质。显示东西最重要的是介质。


   微软已经推出过Kinect,这是一款输入设备,它可以感知动作,可以让玩家用手势、语音命令玩游戏。现在微软将赌注下在MR全息计算机上,它给这款产品命名为HoloLens。微软相信“全息就是计算进化的下一站”。微软在网站上介绍称:“混合现实可以将3D全息内容融入到物理世界,为你的全息真实世界增加情境,还可以改变比例,用户既可以与数字内容互动,也可以与周围世界互动。”最开始时,我们都将HoloLens视为AR设备,在今年的台北电脑展上,微软强调它是一款MR设备。

HoloLens配有传感器,当我们准备选择全息图时,可以通过注视移动光标进行选择。我们还可以用手势打开APP,挑选工具,改变尺寸,还可以拖放全息图,用语音命令导航、选择、打开、命令、控制APP。


【HoloLens是MR的标志性产品】

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今年7月,在多伦多全球开发者大会上,日本航空展示了一款HoloLens应用,它可以允许工程师近距离接触一台全尺寸、电脑模拟喷气式发动机。APP可以突出显示发动机部件,告诉工程师不同组件是如何协作的,真实的发动机无法这样展示。

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【Leap Magic是下阶段令人期待的产品】

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目前为止,无论是虚拟现实(VR)应用还是增强现实(AR)应用,图像本身的路径基本上都经历这样的过程:光 - 镜头 - 传感器 - 数字化 CV 算法 - LCD/LED 显示器,最终我们看到的 AR/VR 内容都是通过 LCD/LED 显示器传入人眼。而 LCD/LED 本身在耗电、重量、体积等方面存在缺陷,是 AR/VR 用户体验发展的主要瓶颈之一。

而 Magic Leap 拥有一种名为 Fiber Optic Projector 的核心技术,这种“投影仪”与传统意义上的投影相比,尺寸更小,功耗更低,可以通过一根直径 1 毫米长 9 毫米的光纤投出几英寸彩色图像。

谈及 Fiber Optic Projector 的原理,我们就要从已经加盟了 Magic Leap 的华盛顿大学 Eric Seibel 教授说起。Prof. Eric Seibel 致力于研究内窥镜已有数十载,他的研究团队曾在 2013 年公开展示一种直径 1 毫米、基于光纤扫描的内窥镜。相比原来动辄几厘米直径的内窥镜而言,这是一种变革性的进步。它的原理简单来说就如下图 —— 内窥镜由基于 MEMS 的驱动器 Actuator、单光纤、镜头组、直径 1 毫米的套管组成。当内窥镜工作时,微电脑通过控制多个驱动器,精确控制光纤末端的扫描路径,通过画直径由小变大的同心圆来完成整个画面的图像扫描,再将数据回传给电脑合成图像。

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Magic Leap 的 Fiber Optic Projector 和这个内窥镜工作原理类似,只是光纤末端并不是用来采集图像,而是发出显示图像的光线,通过驱动器足够快速的扫描,让镜头末端得以逐个投出图像。这个原理听起来简单,要在工程上实现是非常了不起的。

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上面我们提到过,这种基于光纤扫描的显示设备有功耗低、重量轻、体积小等优点,而且可以通过多个光纤末端阵列堆叠的方式来实现 FOV (Field of View) 显示。

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而对于这种光纤扫描投影仪的画质,想必大家也不必过于担心。通过 Google Patent 的检索,我们发现这家公司已经在为美国国防部研制分辨率达到 4K 级别的光纤扫描显示设备。

 magic Leap目前还没有产品,所看到的让人吃惊的画面也仅为概念视频,并不是我们所想象的裸眼3d,因为影像是要投到介质上的,只能说是一个让人惊艳的效果图,我们来拭目以待它的最终产品吧,毕竟是一家累计融资14亿美元,估值45亿美元的公司。

  虚拟和混合现实的发展会给建筑设计、UI设计和服装设计等领域的设计师带来巨大的脑洞。想像总是美好的,虚拟现实技术还有很多问题:像素过低;加载速度跟不上人行为与视线的变化;戴头盔或眼罩不方便;戴久了头会眩晕……如果这些问题能够解决,未来将会超越我们的想像。

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