混合现实技术在科普展示中的应用

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混合现实技术在科普展示中的应用

作者：李锋

来源：《科技创新导报》2011年第08期

摘 要:本文通过“虚拟漫游”展项的设计思想、体验过程、技术方案,阐述了混合现实技术的技术特点,以及硬件和软件系统的基本构成,展现了高科技在科普展示中的实际应用。 关键词:虚拟现实 混合虚拟现实 头盔显示器 光学跟踪 视景仿真 中图分类号:TP3 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)03(b)-0246-03 1 混合虚拟现实技术及其特点 1.1 虚拟现实技术与混和现实技术

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境,具体地说,就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成一个逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉及味觉等的虚拟环境和感官世界,用户通过多种传感设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响、从而产生一种身临其境的感觉。它是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面,综合了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术,模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能,使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中,并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互,创建了一种适人化的多维信息空间。

混合现实技术(Mixed Reality,简称MR)又称增强现实(Augmented Reality,简称AR),是在虚拟现实技术的基础上发展起来的,它通过计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象,并通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中,真实的环境和虚拟的对象实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在,用户利用显示设备(如头盔显示器),将虚拟对象与真实环境融为一体便可以看到一个感官效果真实的新环境。混合现实提供了在一般情况下,不同于人类可以感知的信息。它不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来,两种信息相互补充、叠加。混合现实的目的并非以虚拟世界代替真实世界,而是利用附加的信息去增强使用者对真实世界的观察和感知。

混和现实与虚拟现实是有所区别的。在虚拟现实系统中,人具有沉浸感。视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉部分或全部处于计算机系统控制之中。人失去与真实现实的一切联系。混和现实则不同,它是将虚拟的物体融合到真实的环境中,或者将真实的物体融合到虚拟的环境中。在混合现实中,人可以感受到真实世界的存在。在混合现实中最重要也是最关键的技术就是如何将真实的部分和虚拟的部分完美无缺地融合在一起。 1.2 混合现实技术的基本特点

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混和现实技术有以下几个主要特点: (1)真实性

混和现实技术体现了真实环境与虚拟环境的结合,比起以往的虚拟现实技术具有一定的的优越性,虚拟现实只是纯反应计算机所虚拟现实世界中的事物,而混和现实技术将虚拟世界中的事物和真实事物结合,使人们与虚拟世界有了沟通的桥梁。 (2)实时与互动

实时性是指虚拟现实系统能按用户当前的视点位置和视线方向,实时地改变呈现在用户眼前的虚拟环境画面,并在用户耳边和手上实时产生符合当前情景的听觉、视觉和触觉、力觉响应。互动性是指用户可采取现实生活中习以为常的方式来操纵虚拟场景中的物体,并改变其方位、属性或当前的运动状态。 (3)构想性

强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间,可拓宽人类认知范围,不仅可再现真实存在的环境,也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。 1.3 混合现实系统的基本构成

混合现实由于是在虚拟现实的基础上发展起来的,因此在硬件结构上同虚拟现实系统的硬件具有一定的继承性和一致性。混合现实系统把计算机生成的虚拟物体、文字和图形等信息重叠显示在用户所看到的真实物体上,为用户提供与现实环境有关的辅助信息,增强用户对真实环境的感受,其中关键技术涉及到显示和注册。因此,头盔显示器和方位跟踪器是这种系统必不可少的外设。

如图1所示,一个典型的混合现实系统由虚拟场景生成器、头盔显示器、实现用户观察视线跟踪的头部姿态跟踪设备、虚拟场景与真实场景对准的定位设备和交互设备构成。其中虚拟场景生成器负责虚拟场景的建模、管理、绘制和其它外设的管理;头部姿态跟踪设备跟踪用户视线变化,实现用户观察坐标系与虚拟场景坐标系的匹配;交互设备则用于实现感官信号及环境控制操作信号的输入输出,上述几部分的功能和要求与虚拟现实系统中的相应单元相同。 混合现实系统中的显示设备通常采用头盔显示器(HMD)。对于头盔显示器(HMD),主要有两种类型,一种为透光式HMD(Optical see-through),另一种是影像式HMD(Video see-through)。透光式HMD允许用户看到真实的环境,计算机把生成的图像叠加显示于视场中。影像式HMD并不能让用户直接看到真实的环境,而是通过HMD上的摄像头采集环境影像,然后将计算机生成的虚拟图像融合后显示出来。