VR、AR与MR的发展历史以及商业应用实例

英伟达NVIDIA中国 发表于 2018-06-29 11:18:16 收藏 已收藏
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VR、AR与MR的发展历史以及商业应用实例

英伟达NVIDIA中国 发表于 2018-06-29 11:18:16

起床、刷牙、穿衣服、上班,这是现实。想象您自己变身为《钢铁侠》里的托尼·史塔克或《蝙蝠侠》中的小丑,这就是虚拟现实 (VR)。

VR技术的进步让人们可以用一种前所未有的方式在计算机生成的环境中创造、娱乐、工作、协作和探索。VR技术已经发展了几十年,但直到最近几年,这项技术才成为娱乐业和商业领域快速增长的市场机会。

现在,勾勒一个英雄,并将该形像安置在您所处的空间中,这就是增强现实 (AR)。经过了数十年的发展,AR仿佛在一夜间风靡全球。精灵宝可梦GO(Pokemon Go)的热潮让这一日本流行的交换类儿童卡牌游戏走上街头,随后数十个游戏都将这种“魔法”技术与现实世界相结合。

Apple公司2017年推出了一套开发工具ARKit,开发人员能够借此创建移动AR内容,也鼓励更多公司在iOS 11平台上构建AR体验。这被视作AR崛起的另一标志。微软的HoloLens和Magic Leap的Lightwear都能够让人们享受全息体验,成为开创性头戴式显示器领域的两大重要产品。

Magic Leap Lightwear

这不仅是娱乐和游戏,同时也意味着巨大的商机。IDC 研究人员预测, 2021年全球AR和VR产品和服务的支出将从2017年的114亿美元激增到2150亿美元。

除了VR和AR,混合现实(MR)也在飞速发展之中。致力于MR研究的开发人员正将VR和AR的特点与现实世界相结合,以提供混合体验。设想另一种VR情景:您可以被瞬间传送至夏威夷的沙滩椅上,脚踩沙粒,手捧鸡尾酒。无需经历漫长的经济舱飞行体验,而是直接被传送到岛屿上。但现实中您并没有真的在那里。

在混合现实中,您就可以拥有这样的体验。比如在前往夏威夷的航班上体验夏威夷沙滩的例子:您坐在前往夏威夷的航班上,当您移动时,航班座椅仿佛嘎吱作响的沙滩椅,真实的空乘员为您送上一杯鸡尾酒,脚底轻触地板上的沙粒,体验沙滩般的感觉。

VR 技术解析

VR的概念可以追溯至20世纪30年代的文学作品中。在20世纪50年代,电影制作人 Morton Hellig提出了“体验剧场” (“experience theater”),随后发明了叫作Sensorama 的沉浸式视频游戏机,供人们观看体验。1968 年,开创性的时刻到来,Ivan Sutherland发明了第一个头戴式显示器。

Sensorama

自此,VR发生了巨大变化。消费级VR头戴式显示器实现了突破性的进展。光学、追踪和GPU 性能的技术突破也促进了VR的发展。

随着Facebook的Oculus、HTC、三星、索尼和许多其他公司的新型头戴式显示器的用户体验得到改善,过去几年消费者对VR的也兴趣大大提高。然而,计算机生成的沉浸式 3D环境对人们来说不仅仅是拥有了时髦的VR眼镜。

迄今为止,包括每秒提供足够的帧数并减少延迟(即用户移动头部时造成的延迟),始终保持平稳、减少引发晕动症情况等难题已经基本攻克。

VR对图形处理的要求极高——比电脑游戏的要求还要高7倍。如果没有快速呈现图形的极速运转的GPU,人们将不可能享有如今的VR体验。

软件也发挥了重要作用。例如,借助NVIDIA VRWorks软件开发套件, 头戴式显示器和应用程序的开发人员可实现VR的最佳性能和最低延迟,而且即插即用。VRWorks可集成于Unity和Unreal Engine 4等游戏引擎中。

当然,VR尚有潜力未充分挖掘。如今,肉眼仍能发现VR渲染中的瑕疵。

聚散调节冲突,《Journal of Vision》期刊

部分专家认为VR技术的发展将会超越人类认知水平,大约十年内,其性能将会实现飞跃性的进步,达到如今的200倍。同时,NVIDIA研究人员正致力于提升用户体验。

一项名为中心凹形渲染 (foveated rendering) 的技术降低了传递到敏感度较低的视网膜边缘的图像质量,同时提高了传递到视网膜中心的图像质量。这一技术作用非凡,与眼动追踪相结合,能让处理器确定最清晰的观看区域。

VR的技术障碍

每秒帧数:虚拟现实要求每秒高达90帧的处理速度。因为较低的帧速率会导致肉眼可见的移动滞后,可能会让人产生呕吐的感觉。NVIDIA GPU利用比肉眼可以感知的更快速度渲染来实现VR。

延迟:VR的延迟是指动作开始和电脑呈现的视觉图像之间的时间差。专家认为 VR延迟率应达到20毫秒以下。NVIDIA VRWorks是VR头戴式显示器和游戏开发人员的软件开发套件,可以解决延迟问题。

视野:在VR中,创造身临其境的感觉非常重要。视野是特定的VR头戴式显示器所能提供的视角。例如Oculus Rift头戴式显示器可以提供110度视角。

位置追踪:为了营造身临其境的良好VR体验,需要在1毫米的误差内追踪头戴式显示器的空间位置。这是在任何时间和空间中显示图像的最低要求。

聚散调节冲突:这是如今VR头戴式显示器的观看问题。具体如下:人的瞳孔以“聚散”的方式移动,也就是说当对焦时,瞳孔会一起向中心或是两边移动。但与此同时,眼睛里的晶状体也会聚焦于物体,又称为调节。VR眼镜所呈现的3D图像会造成聚散和调节冲突,这对眼睛来说并不太正常,会导致视觉疲劳和不适。

眼动追踪技术:迄今为止,头戴式VR显示器尚不能追踪用户的眼睛,让计算系统可以针对用户在某一时间内对焦的位置作出相应的反应。提高眼睛移动位置的分辨率有助于呈现更好的视觉画面。

尽管几十年来市场发展缓慢,但VR技术在好莱坞电影中大放光彩,例如前段时间上线的《头号玩家》。同时,VR技术也在游戏、电视、房地产、建筑、汽车设计和其它行业深受人们的欢迎。

然而,分析师预测在未来几年中,来自企业客户的发展动力将超过消费者。

AR技术解析

AR的发展横跨数十年,最早可以追溯到麻省理工学院媒体实验室等大学和包括现任 Alphabet谷歌智能眼镜技术负责人Thad Starner在内的先驱。在 AR 技术的萌芽阶段,Thad Starner曾经身背沉重的电池腰包,用来连接 AR 眼镜。

谷歌眼镜后来被重新开发为一项不太引人注目的幕后技术,供仓库和制造业使用。如今,工作人员可以通过谷歌眼镜观看培训视频和同事录制的操作指南。

第二代谷歌眼镜

AR技术也应用于低成本的摄像头和屏幕技术,制造自动调光的低廉焊接头盔,让人们不会在熔化钢铁时灼伤视网膜。

如今,AR技术正进军商业领域。在工业应用中,AR技术可以在解放双手的同时提供有用的信息,其商业价值显而易见。

AR眼镜也大大提升了智能化水平。在运动微型显示器的帮助下,佩戴AR眼镜就仿佛拥有一个不可或缺的同事,可以在紧要关头提供帮助。AR眼镜甚至可以决定任务能否完成。

设想一名初级大型设备技工被派往建筑工地紧急维修一辆大型拖拉机。老板将一副AR眼镜交给这个新手,眼镜中的维修手册让他能一边排除故障,一边直接观看图解指导。

部分智能眼镜甚至配有亚马逊的Alexa服务,可以通过语音查询了解相关信息,无需搜索智能手机或费神思考。

目前消费级的商业实例包括宜家的Place应用,人们可以利用智能手机,查看手机上显示的家中图像配上家具和其他产品的情景。

如今,索尼、爱普生、Vuzix、ODG ,以及Magic Leap等初创公司研发了各种各样的智能眼镜。

NVIDIA研究团队一直努力提升AR和VR的用户体验。在NVIDIA GPU技术大会的 VR展厅,您可以体验许多相关产品。

NVIDIA创始人兼首席执行官黄仁勋在GTC上谈VR

MR技术解析

MR拥有巨大的商业潜力。在虚拟体验中,MR可以创造无限变化,比如通知忙碌中的人实现协作并解决现实问题。

比如这样一个情境,设想有一名初级大型设备技工身陷一辆大型拖拉机内,完全被机械故障难住了。其余人员闲坐一旁,无法工作。工地经理焦虑不安。

幸运的是,这个技工的智能眼镜可以提供虚拟帮助,他可以用VR联系一名资深技工,一边在真正的拖拉机上维修,一边在一模一样的拖拉机模型上排除故障,并且通过AR获取线上维修手册文件,找出转矩规格和其他维修详情。

这就是混合现实。

对于消费者来说,设想您正在使用宜家的Place应用摆放和观察房屋中的家具。您想要购买一张亮红色的沙发,但在购买之前,您想先了解一下您的朋友和家人对于在客厅里摆放这个沙发的看法。

于是您使用了智能眼镜中的VR功能。假设您在使用宜家Place应用程序的VR模式,您可以邀请几名关系密切的亲友(但首先他们必须坐在自己能找到的沙发上)。现在,每个人都坐在了您家的虚拟环境中,沙发变成了宜家的红色沙发。

借助混合现实实现的虚拟展厅让您得出了一个结论:您的朋友和家人都非常喜欢这个沙发,所以您买下了它。

在商业领域,MR还有无限的可能性。

目前,混合现实技术尚处于起步阶段,这可能成为众多VR和AR开发人员的梦想。这是因为混合现实可以将此时此刻的真实情况与虚拟现实融为一体,增强许多娱乐和商业情景的现实感。

举个例子:汽车设计人员能坐在真正的车椅上,身旁配有扶手、换挡器和方向盘,他可以通过VR功能查看仪表盘和内饰。许多人都可以通过这种方式,远程评估设计。实际上,NVIDIA Holodeck就可以实现这类协作。

系好安全带,准备出发吧。

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