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亦幻亦真在AR

2002-11-13 13:55 作者:鲁伊 2002年第13期
AR系统对真实世界的补充和强化

电影《最终幻想》是虚拟技术的集中体现

看上去,它仿佛就是一副最普通的眼镜。可是当你把它戴上的时候,就会发现,眼前竟出现了一个崭新的世界:外科医生一边进行着普通的例行检查,一边就能看到患者体内的超声波扫描结果。消防队员面对着燃烧在熊熊大火中的建筑物,每一个房间、每一个出口以及可能存在的看不见危险却了然于眼前。全副武装的士兵向一片丛林逼近,那里看上去一片死寂,但无人驾驶侦察机拍摄到的敌方狙击手位置透过他的眼镜却一览无余。饥肠辘辘的游客穿过异乡的陌生街道,街上每一家餐馆的具体位置和拿手好菜都能展现在眼前……

这些从前只会出现在科幻小说中的场景,在哥伦比亚大学计算机科学教授斯蒂芬.K.芬纳(Steven K. Feiner)的计算机图形和用户界面实验室中,却转化成了现实。这位1987年毕业于布朗大学的计算机科学博士用了十余年时间,与其同事成功开发出了新一代的用户界面系统——简称为AR的增强现实(Augmented Reality)系统。

AR系统的基本原理说起来其实非常简单。绝大多数AR系统,包括芬纳博士及其同事开发出来的新一代系统,都是一种戴在头部、可以将虚拟图形和文本(有时也包括声音)附加在用户看到的外界环境之上的“透视”设备。它能够跟踪用户头部的位置和方向,从而使附加的虚拟对象可以与真实环境中的情况保持一致。通过一种称为“配准”的方式,图形处理软件能将一个虚拟苹果的三维图片放在一个真实存在的水果盘上,并且当用户在房间中四处走动的时候,使这个苹果一直保持在水果盘的固定位置上。

如果说将一个虚拟苹果放在真实的水果盘上并达到可以乱真的程度听上去有点像无聊的技术游戏的话,AR系统在现实中的用途却远远不止于此。从大型机械的设备维护到医学检测和成像系统,乃至城市交通辅助和军事侦察应用,AR系统都能大显神通。在正确的时间和正确的地点,获得正好需要的信息,这是AR系统超出掌上型电脑和全球卫星定位系统(GPS)接收器的优点所在。信息不再是显示在一个单独的显示器上,而是与用户的所见所闻所感结合起来,这种虚拟信息与真实世界的无缝衔接,将用户花在切换和对应现实与虚拟世界上的时间和工作量减到最小,从而使计算机界面和用户眼中的世界完美地合二为一。

AR系统的功能很容易让人联想起另一种众多计算机科学家致力其中的VR系统——虚拟现实(Virtual Reality)系统。在哥伦比亚电影公司2001年出品的由著名电子游戏改编的科幻电影《最终幻想》中,计算机专家用电脑造出了几可乱真的人物,这就是虚拟现实的完美表现之一。虽然在AR系统中使用了一些虚拟现实系统的硬件技术,但在这两者之间,却存在着关键的区别:虚拟现实是对整个真实世界的颠覆,它的目的在于将物理世界取而代之。AR系统却远远没那么野心勃勃,它只是要对真实世界加以补充和强化,从而使人们能更好感觉真实世界中的存在。

尽管AR系统的迅猛进步是最近十年中的事,但早在三十多年前,计算机图形技术领域的先驱者伊万·萨瑟兰(Ivan Sutherland)和他在哈佛大学及犹他州州立大学的学生就共同开发出了最早的AR系统模型。此后,从70年代至80年代,在美国空军基地阿姆斯特朗实验室、NASA艾姆斯研究中心和北卡罗来纳大学的实验室中,都有少数研究人员从事AR系统的研究。到了90年代,波音公司研究人员曾经开发出试验性的AR系统,用以在工人组装线路时提供辅助。近十年中,硬件价格的急剧降低使AR系统实验室设备的价格降到可以接受的水平,从而带动了新一轮AR系统研究的高潮。从1998年起,全世界AR系统的研究者每年都要召开一次会议,交流最新的研究成果。

从萨瑟兰具有开创意义的工作至今,信息技术已经发生了巨大改变,但用来建立AR系统的主要元件还是一样,它们包括显示器、追踪器和处理图形的计算机和软件。显示器是AR系统中的关键所在,它必须能够显示出虚拟与真实相结合的场景。尽管在有些AR系统中,显示器被设计成手掌型或是固定的,但最常见的AR系统显示器是一个可以戴在头上、位于眼睛前方的屏幕,通常,它被称为HMD——头顶显示器(headmounted display)。

所有的HMD大致上都可以分成两类:光学透视型和视频透视型。光学透视型显示器使用被称为“镜电子束分裂器”的特殊装置,能够使计算机生成的虚拟图形反射到用户视线中,而同时用户也能看到周围的环境。这种设备以前曾经被应用于战斗机驾驶员和豪华汽车驾驶座的头部装置上,使用透镜聚焦的光学透视型显示器,可以使图像在一个令人舒服的视觉距离中呈现出来,而如果双眼都配备相应设备的话,看到的场景还会具备立体感。

视频透视型显示器使用的是完全不同的视频混合技术。这种最早为生成电影和电视的特技效果而开发出的技术能够将头部摄像机拍摄到的图像和虚拟图形结合起来,合成的图像显示在不透明的显示器上。经过精心设计,摄像机拍摄的光学路径会同用户肉眼观察外部世界的路径非常接近,从而使视频图像与用户实际可能看到的景像保持一致。这种显示器也能够形成立体的场景。

不过,这两种类型的显示器各有所长,各有所短。光学透视型AR系统可以让用户看到真实视野下的现实世界,人眼对外部世界色彩的敏锐感觉是很长一段时间中摄像机的分辨率所不能企及的。但是,当前的光学透视型AR系统中应当覆盖在真实对象上的虚拟图形还做不到完全不透明,并不能完全掩盖其后的物体。因此,在某些背景下,文字可能会难以识别,而三维物体的图形也不那么让人信以为真。此外,由于虚拟对象全部聚焦在显示器平面上,有时候虚拟对象虽然在几何位置上与真实对象一致,但在用户的眼中却会产生偏差。

视频透视型AR系统的优点在于虚拟对象能够完全掩盖住实际对象,并能运用大量图形特效将两者完美结合起来。由于两者处于同一平面,肉眼的聚焦也不会产生偏差。但是,视觉效果的严重削弱是视频透视型AR系统无法回避的一个问题,功能发挥到极限的摄像机和显示器同人眼还是根本无法相比的。

同萨瑟兰最早开发出的几十公斤的笨重的AR系统显示器相比,最新的AR显示器使用微型液晶显示屏和激光技术,全部重量还不到半公斤。微视(Microvision)公司新近开发的低耗能激光头直接在视网膜上扫描图像的技术使AR系统又有了飞跃性进展。最新的HMD外观上和普通的眼镜几乎没什么分别。

AR系统的功能也给许多人带来忧虑,有人担心,当这种系统大规模商业化之后,它可能会成为一种新的杀人工具。芬纳博士也并不否认,在AR系统推出的最初阶段,许多购买者可能的确是冲着它的特殊用途去的。但芬纳和其他的AR系统研究人员都坚信,这种系统最终必将同电话和个人电脑一样,成为广为应用的普通设备。使用者固然可能用它为非作歹,但善加利用却能给生活增添极大的便利。当我们在陌生的地方迷路时,AR能准确提供路标和地图;当我们不想忘记重要的事情或错过重要地点时,AR能及时给予提醒;当我们需要娱乐时,AR还能将我们最心爱的卡通人物以最快速度召唤至眼前。

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