虚拟现实的瓶颈:国内外都欠缺统一标准

2016年被业内人士称作“虚拟现实技术元年”,据预计,我国VR市场规模几年内将快速成倍增长,2020年将达到556亿元人民币。

人人都在谈虚拟现实,那么虚拟现实到底是什么?我们特邀著名专家、武汉理工大学博士生导师陈定方教授向读者做个解析。

从记事起,幻想就伴随着我们。在观看演唱会时,你是否幻想过在炫目舞台上表演的那个人就是你;在读武侠小说时,你是否幻想过你就是其中侠骨柔情的主人公。幻想带给你幸福的感觉,在幻想中你可以成为任何你想要的自己。要是能有一种科技,让我们的种种幻想最大程度地真实呈现该有多好!

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)是近年来出现的高新技术,亦称灵境或人工环境。虚拟现实技术利用计算机软硬件、传感器和网络,产生一个包括几何空间三维和时间维的四维空间虚拟世界,提供视觉、听觉、触觉以及嗅觉、味觉等感官的模拟,让使用者如同身临其境一般,及时、没有限制地观察和触摸4D空间内的事物。

虚拟现实 硬件 VR

虚拟现实有以下几个特性:

沉浸感 沉浸感又称为临场参与感,是指使用者作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应达到使用户难以分辨真假的程度,如实现比现实更理想化的照明和音响效果等。在虚拟环境中,使用者的视觉、触觉、嗅觉等感觉上的反应与现实世界完全一样,有种身临其境之感。要实现这种感觉,必须对人类的视、听、触、嗅、味觉进行恰如其分的模拟,而这些感觉的模拟,很大程度上是通过虚拟现实的外部设备来完成的。

交互性 交互性是虚拟现实技术最主要的特征。在虚拟环境中用户不仅可以控制其中的3D对象,甚至还可以互相通讯。对于那些想寻求刺激运动但是又害怕的人来说,虚拟现实技术为其提供了一个享受的平台,比如在交互操作滑翔装置中,你用手操作在屏幕中虚拟出的滑翔装置,既不用担心自己的安全又能体验参与其中的乐趣,同时可以掌握滑翔的技术,可谓一举三得。

构想性 构想性强调虚拟现实技术具有广阔的可想象空间,用户沉浸在虚拟环境中通过交互可以获得新知识,不仅可再现真实存在的环境,还可以随意构想、设计客观上不存在的环境。

视觉 听觉 触觉 嗅觉 味觉 “武装部”全方位提供感觉

所谓虚拟现实的“武装部”,实际上就是实现虚拟现实需要的工具部门。

这个武装部中最重要的成员是计算机。因为计算机的存在让虚拟世界得以构建,让人们可以通过计算机与虚拟世界交互并进行信息的传递。计算机可以帮助我们把武装部成员有机地联合起来,让武装部成为一个不断壮大的队伍。

视觉 俗话说,眼见为实,可是在虚拟世界里,眼见并非为实,都是虚幻的事物。而这些虚幻的事物有时需要我们通过某种“利器”才能很好的感受并沉浸其中,这就是“数据头盔”,也称为头盔式显示器。

听觉 虚拟世界是一个耳听为虚的世界,在虚拟世界中听见的声音,都是由计算机生成,并通过扬声器播放出来的。例如,当扬声器播放头顶有一架飞机从左至右飞过的声音时,你闭上双眼,就真的感觉到头顶有一架飞机从左至右飞过。这就是声音带给你的刺激。

触觉 在现实生活中,当我们伸手去触摸物体时,你会有一种触碰的感觉,觉得物体也给了你相应的信息。那么,虚拟现实技术是怎样让我们有这种感觉的呢?这正是力反馈的作用。在虚拟现实世界中,力反馈能带给我们真实的触感,这种反馈的产生得益于力反馈装置。

此外,嗅觉甚至味觉,也都是通过各种工具部门产生出来。

半个世纪前就产生了初步设想 技术正处于突飞猛进期

那么,虚拟现实技术是怎样产生的呢?

1965年,美国国防部高级研究规划署信息处理技术办公室主任在一篇文章中指出:“应该将计算机现实屏幕作为‘一个观察虚拟世界’的窗口,计算机系统能够使窗口中的景象、声音、事件和行为非常逼真”,不久,虚拟现实应运而生。

1968年,有虚拟现实“先锋”之称的计算机图形学创始人伊凡·萨瑟兰使用两个可以戴在眼睛上的阴极射线管,研制出了第一台头盔式立体显示器,并发表论文,对头盔式三维显示装置的设计要求、构造原理进行了深入讨论,绘出了这种装置的设计原型,成为三维立体显示技术的奠基工作。

1975年,迈伦·克吕格尔提出了“人工现实”的思想,展示了“并非存在的一种概念化环境”。

20世纪80年代,美国宇航局及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究,并取得了令人瞩目的研究成果,从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。

1985年,斯科特·费舍尔等研制了著名的称之为VIEW的“数据手套”,该装置可以测量手指关节的动作、手掌的弯曲以及手指间的分合,从而可通过编程实现各种手语。

1986年,研制成功了世界上第一套基于头盔式显示器和数据手套的虚拟现实系统VIEW。这是世界上第一个较为完整的多用途、多感知虚拟现实系统,它使用了头盔式显示器、数据手套、语言识别与跟踪等技术,并应用于空间技术、科学计算可视化、远程操作等领域。

20世纪90年代以来,在“需求牵引”和“技术推动”下,虚拟现实技术取得了突飞猛进的发展,并将技术成果成功地集成到一些很有实用前景的应用系统中。

延伸阅读

VR技术应用“无所不能”

VR技术在军事、艺术、文化娱乐、交通工业、安全、教育、医疗等领域均有重要的应用。

在军事领域,单兵模拟训练与评判,士兵可以通过立体头盔、数据服、数据手套等做出或选择相应的战术动作,体验不同的作战效果,进而像参加实战一样,锻炼和提高技术水平、快速反应能力和心理承受能力。指挥决策虚拟系统则利用VR技术,根据侦察情况资料合成出战场全景图,让受训指挥员通过传感装置观察双方兵力部署和战场情况,以便判断敌情。

VR技术在娱乐艺术领域也有着广泛的应用。3D游戏利用VR技术让游戏玩家有身临其境的感觉,这既是VR技术重要的应用方向,也对VR技术的快速发展起到巨大的需求牵引作用。

虚拟现实 硬件 VR

VR技术通过文物模型构建、文物模型修复,最后将这些文物资料整合,利用网络及其他多媒体便可将无法实物展示的文物栩栩如生地展现在我们眼前。

建设中的国家“超级工程”港珠澳大桥在主体工程设计、施工过程中的安装碰撞检查、人工岛和通航孔桥的设计中,亦充分应用了虚拟现实技术。

爱美之心人皆有之,买衣服对于女性朋友来说,既是一件快乐的事,也是一件非常辛苦的事。而如今VR技术已将其变得十分简单。顾客根据自己的体态特征,设置相应参数,模特就会自动穿上我们选择的衣服为我们展示穿着效果。但还不止于此,一种交互性沉浸性强的虚拟试衣技术随之而生,人只要站在距离合适的位置,通过手势动作就可以完成各类衣服的选择,并可“穿”在人的身上。它是通过红外感应技术捕捉人的轮廓和手势控制技术进行触点选择,根据人距离的远近和身材的大小将衣服贴合地“穿”在身上,让顾客从取、脱、换、穿中解脱出来。

汽车驾驶模拟器可以让人足不出户学开车。驾驶者能真实地感受到实际的各种车况和路况信息,甚至能让处于不同地域的多个用户在同一个虚拟世界中进行实时交互,交流驾驶经验,完成各种驾驶任务。

VR技术在医疗方面的应用包括数字医院、虚拟手术、医疗教学等。在虚拟环境中,可以建立虚拟的人体模型,同时借助于跟踪球、头戴式可视设备、数据手套,学习者可以很容易了解人体内部各器官结构,比看教科书的方式要有效得多。

虚拟现实瓶颈在哪里?

相对于其他产品,虚拟现的特点在于它的沉浸性和交互性。如何将这些优势更好地发挥出来,是业内人士正考虑的问题。然而,虚拟现实的瓶颈却远远不止这些。中国计算机学会理事、北京师范大学教育部虚拟现实应用工程研究中心主任周明全接受媒体采访时提到:“从科研角度看,经过数十年发展的虚拟现实技术已经有了一定的积累并相对成熟,但一项技术,从实验室到消费者,还有漫长的路要走,这需要巨大的投入和整个产业的推动。”

虚拟现实国内外都欠缺统一标准

从现阶段来讲,国内外需要共同面对的瓶颈–标准的未统一和内容的稀缺。

《白皮书》指出,虚拟现实产业快速健康发展需要标准和规范引导,目前标准严重缺失,整个产业链发展就像带着锁链在跳舞,这个锁链就是不适合虚拟现实的一些现有标准和规范,因为虚拟现实的一些技术要求超出了原有的一些配套行业的技术要求。

对此,《白皮书》作出很好的诠释。“虽然国际上虚拟现实的技术和产品呈一片如火如荼的繁荣景象,但虚拟现实存在内容短板:虚拟现实内容稀缺、制作成本过高,内容呈现方式多样,虚拟现实内容没有统一标准,各类虚拟现实设备之间还无法实现互联互通,成为制约虚拟现实大规模产业应用的关键因素;同时虚拟现实内容数据量庞大,给实时网络传输带来新挑战。”

其实,标准问题已经引起了国际各方的关注,目前国际上已经开展相关标准化活动的有ISO/IEC JTC1/SC24(国际标准化组织/国际电工委员会第1联合技术委员会第24分委会:计算机图形、图像处理和环境数据表示)以及ISO/IEC JTC1/SC29(国际标准化组织/国际电工委员会第1联合技委员会第29分委会:音频、图像、多媒体和超媒体信息),SC24和SC29建立了联合工作机制,共同推动增强现实连续统一体概念及参考模型(ARC)的相关标准。

另外,也有一些非官方的组织在考虑虚拟现实的标准化问题。据Advanced Television报道,英国数字媒体技术革新合作中心DTG(Digital TV Group)的CEORich日前表示,该组织将考虑推进虚拟现实的标准化。DTG先前已发布了一份有关虚拟现实的白皮书,计划在2016年开展进一步的研究。

国内方面,根据《白皮书》的介绍,在虚拟现实终端设备方面,我国不管是增强现实、虚拟现实或是混合现实,虽然专注于此领域的公司有近百家,但多数团队都是技术型的创业团队,对行业的商业模式和应用方案并没有成型的思考,产品化能力捉襟见肘。

和国外比,在高性能的传感器领域还有很大的差距,在GPU底层开发上的技术也比较薄弱,软件主要是在图像拼接和播放器领域还有较大的差距。这些差距需要大量的投入以及人力资源才能追上。

同时,投机性过强也成为阻碍增强现实/虚拟现实发展的主要原因,很多产品在存在明显瑕疵的情况下就急于发布。在大厂都在明显炒作概念的环境下,很难指望小厂能踏踏实实做研发。因此,国内的相关企业呼吁应尽快启动虚拟现实标准化工作研究,建立虚拟现实技术标准体系,规范行业发展。对此,我国正在征集虚拟现实(VR)和增强现实(AR)国家及行业标准。

近期,AVS标准工作组也已启动虚拟现实音视频编解码技术研发,有望推出我国自主知识产权的AVS虚拟现实标准。

硬件设备等方面的技术瓶颈

从虚拟现实系统的软硬件技术来看,与发达国家相比,仍然存在差距。媒体普遍认为,一方面,国外,除了三大头戴显示器外,虚拟现实相关设备还包括交互设备、输入设备、动作识别设备,媒体等各个行业的应用也都比较平均。但是在国内,头戴显示器输出方案相对更集中一些。另一方面,国外以PC端为代表的Facebook的Oculus Rift和以移动端为代表的三星GearVR在产品迭代、提升用户体验方面比国内走得更远。国内VR产品分辨率、刷新率不高等硬伤使用户在使用时产生不适感,而这种不适感会给产品推广带来困难。对于虚拟现实技术的瓶颈,根据《白皮书》的介绍,主要表现为以下几个方面:

一是相关设备普遍存在使用不方便、效果不佳等情况,难以达到虚拟现实系统的要求。如计算机的处理速度还不能满足在虚拟世界中巨大数据量处理实时性的需要。

二是硬件设备品种有待进一步扩展,在改进现有设备的同时,应该加快新的设备的研制工作。同时,针对不同的领域要开发能满足应用要求的特殊硬件设备。

三是虚拟现实系统应用的相关设备价格也比较昂贵且局限性很大。如建设CAVE(洞穴状自动虚拟系统,Cave Automatic Virtual Environment)系统的投资达百万以上,一个头盔式显示器加主机一般成本就需上万元等。

四是目前大多数虚拟现实软件普遍存在语言专业性较强,通用性较差,易用性差等问题。同时,由于硬件设备的诸多局限性,使得软件开发费用也十分巨大,并且软件所能实现的效果受到时间和空间的影响较大。很多算法及许多相关理论也不成熟,如在新型传感和感知机理,几何与物理建模新方法,基于嗅觉、味觉的相关理论与技术,高性能计算,特别是高速图形图像处理,以及人工智能、心理学、社会学等方面都有许多挑战性的问题有待解决。

五是繁琐的三维建模技术有待进一步突破。给予图形的虚拟环境首先要解决的问题是三维造型。当图形渲染技术在向实现真实感大踏步的时候,生成精确三维模型的过程还是相对困难,技术有待进一步突破。即使是在三维激光扫描技术进步提供了简化模型构建过程,这些自动化模型获取方法也并不能满足我们的全部需要,大部分模型仍需要高水平的专业人士人工绘制,不仅延长了制作的周期,也使得费用成本急剧攀升。

六是大数据融合处理有待进一步整合。虚拟现实要想得到很大的发展,需要与互联网进一步结合,目前虚拟现实应用的数据量非常巨大,而整体网络的速度相对较慢,而且分布不均衡,使得效果大打折扣,我们需要在虚拟现实系统中考虑数据压缩的问题。

此外,从效果来看,仍然缺乏逼真的物理、行为模型。在虚拟世界的感知方面,有关视觉合成研究多,听觉、触觉(力觉)关注较少。在与虚拟世界的交互中,自然交互性不够,在语音识别等人工智能方面的效果还远不能令人满意。