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真实与虚拟结合互动 MR当仁不让
为生活带来更多想像

【作者: 王岫晨】2020年10月07日 星期三

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扩增实境英文全名为Augmented Reality,简称AR。技术原理是透过摄影机拍摄现实画面并结合某种辨识定位技术,让萤幕中的现实场景扩增出电脑虚拟产生的物件,使用者会同时看到真实世界与虚拟同时并存的内容。


虚拟实境英文全名为Virtual Reality,简称VR。体验时会搭配头戴显示器(HMD)完全罩住眼睛可视范围,使用者看不到真实环境,完全沉浸在头戴显示器呈现的虚拟世界中,并且大多会以操作控制器来与虚拟世界中的内容进行互动。


混合实境英文全名为Mixed Reality,简称MR。使用上也会搭配头戴显示器(HMD),使用者从头戴显示器中会看到虚拟的物件出现在真实环境中,和AR有几分相似。不过MR更强调AR中的「真实环境」元素和VR中的「沉浸感」和「虚拟互动」元素所结合呈现出真实、虚拟世界混合分不清的感受。也就是MR比起AR更强调VR特有的沈浸感,和在真实世界与虚拟物件的互动。


MR的技术发展


图一 : 混合实境是实体环境与数位世界混合的结果。(source: microsoft.com)
图一 : 混合实境是实体环境与数位世界混合的结果。(source: microsoft.com)

混合实境是实体环境与数位世界混合的结果。混合的实境是人类、电脑和环境互动的全新演进,并且解放了以前仅限於想像的可能性。 这是藉由提升电脑视觉、图形处理能力、显示器技术和输入系统所达成。「混合实境」一词最初是由Paul Milgram和Fumio Kishino在1994年的论文《混合实境视觉显示器分类法 (A Taxonomy of Mixed Reality Visual Displays)》中所提出。他们的论文提出了Virtuality Continuum的概念,并着重於分类法分类套用至显示器的方式。从那时起,混合实境便不只应用於显示器,还包含了环境输入、空间音效和位置等。


环境输入和认知


图二 : 电脑、人类与环境之间的互动。(source: microsoft.com)
图二 : 电脑、人类与环境之间的互动。(source: microsoft.com)

过去数十年来,探索人类与电脑输入之间的关联性,有一个广为研究的专业领域,称为「人机互动」或HCI。人类的输入方式会透过各种不同的方式进行,包括键盘、滑鼠、触控、笔迹、语音,甚至是Kinect的框架追踪。随着感应器和处理方面的提升,逐渐使环境中的电脑输入形成新的区域。电脑与环境之间的互动是有效的环境理解或「感知」。 环境输入会撷取诸多事物,像是使用者所处的位置、表面和边界、环境光源、环境音效、物件辨识和位置等。


而现在,电脑处理、人类输入和环境输入这三个的组合,树立起建立真正混合实境体验的机会。实体世界中的移动可以转译成数位世界中的移动,而实体世界的界限也可能会影响数位世界中的应用程式体验,例如游戏进行。 如果没有环境输入,体验就无法混合实体与数位实境。


扩增与虚拟实境


图三 : MR实体世界的实体界限会以数位方式出现在体验中。
图三 : MR实体世界的实体界限会以数位方式出现在体验中。

现今市场上大部分的智慧手机几??都没有环境理解功能。因此,他们所提供的体验无法混合实体和数位实境。在实体世界的影片串流上重叠图形的体验即为「扩增实境」。遮蔽视觉检视来呈现数位体验的体验即为「虚拟实境」。而在这两个极端之间的体验,即为「混合实境」,其解释如下:


· 从实体世界开始,放置数位物件,如同真实存在一般。


· 从实体世界开始,另一个人的数位表示法,显示他们在留言时所处的位置。换句话说,即为不同时间点表示非同步共同作业的体验。


· 从数位世界开始,实体世界的实体界限会以数位方式出现在体验中,以协助使用者避开实体物件。


MR装置和体验

有两种主要的装置类型可提供Mixed Reality体验:


1. 全像摄影装置。这些特性是由装置将数位内容放在真实世界中的功能来表示,如同真实存在一般。


2. 沉浸式装置。 这些特性是由装置建立「目前状态」的功能来表示,隐藏实体世界,并以数位体验取代。



图四 : 两种主要可提供Mixed Reality体验的装置(source: microsoft.com)
图四 : 两种主要可提供Mixed Reality体验的装置(source: microsoft.com)

MR发展挑战

宇萌数位科技在发展MR的过程当中,累积了不少相关的开发经验。他们认为,扩增实境AR技术发展至今,最关键的难题始终离不开如何将虚拟的物件「持续稳定地定位在真实环境中」,因为只有持续而稳定地定位,虚拟与真实结合的体验才会更强烈。目前定位技术较为成熟的包括影像辨识,或者如脸部辨识、SLAM(Simultaneous localization and mapping)、室内定位等定位演算法,都仍在不断地进步中。


至於虚拟实境VR,最大的难题在於「头戴显示器的重量和舒适度」,毕竟使用者并不愿意带着笨重的头盔来体验虚拟世界。只有减轻重量,提供更舒适的配戴,才能延长使用时间,给使用者更舒适的虚拟体验空间。


而混合实境MR的发展的难题则与AR、VR非常类似,就如同它混合了AR、VR的特色一样,同时包含了AR「持续稳定地定位在真实环境中」、和VR的「头戴显示器的重量和舒适度」等这两个问题,都亟需要被解决。


MR应用现况

目前在应用方面,AR以商业使用居多,其它还有用在游戏、导览等。而虚拟实境VR则多应用在游戏、模拟训练上,只要戴上头戴显示器进入虚拟的世界,就可以避开真实操作训练时的危险,或是避免付出昂贵的设备代价。一旦在VR世界中熟练之後,再到现实进行真实的训练。至於混合实境MR的发展,宇萌数位科技认为,目前因硬体成本较高,开发和应用上需要一定的费用投入,且技术上需要克服的问题较多也更为复杂,使得目前市场上的应用少,仅少部分的游戏和专业领域有使用。不过,随着微软、Magic Leap等国际大厂都相继提出非常多的未来概念,相信在不久的未来就会更广泛应用於市场上。


结语

从AR、VR、到混合实境MR,其最重要的挑战莫过於「应用场景」。过去在智慧手机不发达的年代,一般人从未想像过讯息传递、购物、学习、查询交通时间、订票,或者观看新闻等这些生活中的大小事,都可以快速的透过智慧手机来完成。而包括AR、VR、MR等这些实境科技也是一样的道理,随着虚拟技术日渐成熟,未来势必也将会为我们的生活带来更多的想像。


**刊头图(source:microsoft.com)


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