淺談?wù)鎸崿F(xiàn)實、擴展現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實

論文關(guān)鑲詞:真實現(xiàn)實擴展現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實真實虛擬連續(xù)統(tǒng)知識世界客觀存在

論文摘要：本文認為真實現(xiàn)實(realreality)、擴展現(xiàn)實(augmentedreality)和虛擬現(xiàn)實(virtualreality)屬于同一系列的概念，它們共同組成了真實——虛擬連續(xù)統(tǒng)(reality一virtualitycontinuum).它們是對客觀存在的三種不同的認知形態(tài)，共同構(gòu)成了知識世界的范圍(extendofworldknowledge).

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國內(nèi)外已有一些關(guān)于虛擬現(xiàn)實(VitrualReality)討論。不同的學(xué)者對虛擬現(xiàn)實有著不同的理解和定義。筆者認為虛擬現(xiàn)實是使用計算機所創(chuàng)造的交互式的三維空間效果，在這個三維空間中物體有一種空間存在物的含義。它具有如下幾個特征:

(1)虛擬現(xiàn)實是使用計算機技術(shù)創(chuàng)造的，以區(qū)別電子存在和其他的遠距離感覺方法;

(2)虛擬現(xiàn)實中計算機技術(shù)應(yīng)用所產(chǎn)生的是效果而不是幻覺;

(3)交互性:人與程序的交互性;

(4)三維世界:以區(qū)別文字描述的一維和二維世界;

(5)物體有一種空間存在物的含義。

虛擬現(xiàn)實是人類利用特定的計算機語言或軟件(如OpenGLSDKVRML)，整合一些特殊技術(shù)(如信息圖形技術(shù)(infographictechnology)、人體運動跟蹤技術(shù)(humanmovementtrackingtechnology)、實時人體運動捕獲技術(shù)(real一timehumanbodymotioncapturetechnology)等，和特定的輸入輸出設(shè)備，如頭盔顯示器(headmounteddisplay),數(shù)據(jù)手套(datagloves)等，開發(fā)形成的一個三維人機互動系統(tǒng)。在這個交互系統(tǒng)中，參與者不僅具有參與感，而且具有身臨其境的沉浸感。隨著虛擬技術(shù)的理論和實踐的不斷發(fā)展，這一系統(tǒng)已經(jīng)達到了以假亂真的境界。

虛擬現(xiàn)實完全是由計算機技術(shù)所創(chuàng)造的。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，人與真實世界完全處于隔離狀態(tài)，在虛擬現(xiàn)實中已不存在自然狀態(tài)的物理時間和空間。人完全被虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所控制。虛擬原義是假，現(xiàn)實含義是真。因此，將這兩個術(shù)語結(jié)合起來，屬于典型的矛盾修飾法(oxymoron)。國外的一些學(xué)者認為這樣的術(shù)語不容易讓人們接受，所以又將它稱為”合成環(huán)境(syntheticenvironment)”,”賽博空間(cy-berspace)”,”人造現(xiàn)實(atrificialreality)”,”模擬技術(shù)(simulatortechnology)”等。國內(nèi)在引進這一術(shù)語時，有人曾認為虛擬現(xiàn)實易與”客觀現(xiàn)實”這一術(shù)語相棍淆，故提議譯作”靈境”。但是，”虛擬現(xiàn)實”這一術(shù)語還是被絕大多數(shù)人所接受的。

我們在論及虛擬現(xiàn)實時，不少人將虛擬現(xiàn)實與“客觀存在”和”客觀現(xiàn)實”相提并論。嚴格的說，客觀存在和客觀現(xiàn)實是哲學(xué)上的概念，與虛擬現(xiàn)實不屬同一系列的概念。本文認為虛擬現(xiàn)實與真實現(xiàn)實和擴展現(xiàn)實屬于同一系列概念。對它們進行考察時應(yīng)該注意它們之間的相關(guān)性。

真實現(xiàn)實有雙重含義:一是作為客觀存在的真實現(xiàn)實。它們是被人類認知了的客觀存在，與人類處于交互作用之中。在此意義上，真實現(xiàn)實是人類賴以生存的基礎(chǔ)。二是作為知識形態(tài)的真實現(xiàn)實。它們是人類對于客觀存在的認知結(jié)果。當我們在討論與擴展現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實相對應(yīng)的真實現(xiàn)實時，真實現(xiàn)實指的是一種知識形態(tài)。作為知識形態(tài)的真實現(xiàn)實或者是通過感官認知的方式獲得的，或者是以視頻窗口方式(如對實景的攝像)獲得的。在這兩種方式中，前者是直接的，后者是間接的。我們將在本文的第二、三節(jié)中分別予以考察。

客觀存在是一個哲學(xué)范疇。它所表達的是不依賴于人類主觀意識而獨立存在的事物的總和。被人類所感知的客觀存在就是客觀現(xiàn)實。這也是真實現(xiàn)實的第一層含義。

真實現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實是人類對客觀存在認知的兩個極端形態(tài)。處于這兩個極端之間的就是擴展現(xiàn)實(augmentedreality)，擴展現(xiàn)實也稱為混合現(xiàn)實(mixedreailty)。其實這兩者還是略有區(qū)別的，我們將在下文中論及。不過擴展現(xiàn)實術(shù)語更能反映人類的認知能力和形態(tài)，因而更能為人們所接受。除特殊說明外，我們將在等同的意義下使用擴展現(xiàn)實和混合現(xiàn)實。

混合現(xiàn)實是由真實現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實共同組成的。例如，真實的環(huán)境加上虛擬的物體共同組成一幅(組)畫面，在這組畫面中我們根本無法區(qū)別哪些是真實的，哪些是虛擬的。混合現(xiàn)實又分為兩種情形。一種是擴展現(xiàn)實。上面舉的例子就是屬于擴展現(xiàn)實。另一種是擴展虛擬(augmentedvitruality)。例如，虛擬的環(huán)境加上某些真實的物體共同構(gòu)成擴展虛擬。擴展現(xiàn)實有三個基本特征。

(1)真實性:某些環(huán)境是人工創(chuàng)造的，因而它是虛擬的。但是在擴展現(xiàn)實中肯定有源于真實現(xiàn)實的部分;

(2)非沉浸感:在顯示擴展現(xiàn)實中的真實成分和虛擬成分時，均不要求觀察者沉浸其中;

(3)方位感:真實世界的物體是被感官直接觀察到或者通過某些電子綜合裝置獲得的(例如，水下攝像機對不明物體的攝像)。在后一種情況下，方位感成為擴展現(xiàn)實迫切需要解決的問題。

真實現(xiàn)實、擴展現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實三者構(gòu)成了一個真實一虛擬連續(xù)統(tǒng)(reality一virtualitycontinuum),它們之間的關(guān)系可以用圖1表示:

擴展現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實的區(qū)別是顯而易見的。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，人具有沉浸感。視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺部分或全部處于計算機系統(tǒng)控制之中。人失去與真實現(xiàn)實的一切聯(lián)系。擴展現(xiàn)實則不同，它是將虛擬的物體融合到真實的環(huán)境中，或者將真實的物體融合到虛擬的環(huán)境中。在擴展現(xiàn)實中，人可以感受到真實世界的存在。當然，擴展現(xiàn)實所展現(xiàn)出來的世界并不完全是真實現(xiàn)實。它們中的虛擬成分是對真實現(xiàn)實的擴展。真實現(xiàn)實受物理法則的支配，而虛擬現(xiàn)實不受物理法則支配。在擴展現(xiàn)實中，如何將真實的部分和虛擬的部分完美無缺地融合在一起，這已成為計算機領(lǐng)域中的熱門話題。就其實際應(yīng)用價值而言，擴展現(xiàn)實遠遠大于虛擬現(xiàn)實。例如，在人工心臟手術(shù)中，可以在計算機上實時捕捉人體胸腔內(nèi)動態(tài)圖像，同時將人工心臟作為虛擬物體加進動態(tài)圖像中，進行虛擬物體與真實環(huán)境的匹配。再如，擴展現(xiàn)實在體內(nèi)腫瘤的診斷中也有廣泛的應(yīng)用。擴展虛擬在文物保護中可以起到重要的作用。一座孤零零的古代建筑(真實物體)可以放在一個虛擬的環(huán)境中，從而確定保護文物的最佳環(huán)境。除了醫(yī)學(xué)、文物保護之外，擴展現(xiàn)實在建筑裝修、軍事偵察、宇宙空間探索等領(lǐng)域應(yīng)用也極為廣泛。

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當我們考察以直接的方式(例如感官的認知)獲取的作為知識形態(tài)的真實現(xiàn)實時，我們認為，真實現(xiàn)實、擴展現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實有著相同的認知生理基礎(chǔ)。

我們都知道神經(jīng)系統(tǒng)是人類進行意識活動的基礎(chǔ)。神經(jīng)調(diào)節(jié)的基本方式是反射(relfex)，即在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制下，機體對內(nèi)外環(huán)境變化的刺激所發(fā)生的有適應(yīng)性的反應(yīng)。反射活動的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是反射弧(relfexArc)，它由五部分構(gòu)成，即:感受器、傳入神經(jīng)、神經(jīng)中樞、傳出神經(jīng)和效應(yīng)器。反射弧的路徑如圖2所示:

在圖2中，感受器的作用是將來自內(nèi)外環(huán)境的刺激轉(zhuǎn)變成神經(jīng)信息(即神經(jīng)沖動)，由傳入神經(jīng)傳至神經(jīng)中樞(位于腦、脊髓內(nèi)的那些與某一反射活動有關(guān)的神經(jīng)細胞群)。神經(jīng)中樞對傳入的信息經(jīng)處理后發(fā)出指令，經(jīng)傳出神經(jīng)將指令傳至與其相連的由肌肉構(gòu)成的各器官或腺體，并改變其活動以適應(yīng)這一環(huán)境條件的變化。

人的神經(jīng)系統(tǒng)并不會因為信息科技的發(fā)展而改變。在真實現(xiàn)實、擴展現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實中，信號在人的神經(jīng)系統(tǒng)中輸入輸出的路徑是一致的，即反射弧。從輸入端看，真實現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實所不同的是神經(jīng)元接受信號的方式不同:在真實現(xiàn)實中，是具體物體對感受器官產(chǎn)生了刺激，比如波長為370一740nm的電磁波刺激了眼睛中的神經(jīng)元而使大腦對事物產(chǎn)生了感覺。而在虛擬現(xiàn)實中，這種信號表現(xiàn)為由0,1構(gòu)成的二進制中的一些字符串，其最小單位為bit.它們是對人類神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生刺激信號的一種方式。

隨著信息科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實中的bit信號刺激可以越級進行，這在真實現(xiàn)實中是不能做到的。這種越級表現(xiàn)為:在神經(jīng)反射弧路徑中，bit信號不一定必須從感受器開始，而可以從傳入神經(jīng)、神經(jīng)中樞、傳出神經(jīng)或效應(yīng)器開始。這是有別于在真實現(xiàn)實中物體對機體的刺激而導(dǎo)致生理行為的路徑，這是科技進步給人類認識與行為帶來的貢獻。由此導(dǎo)致了人是否會成為機器的奴隸的爭論。

從輸出端看，不論是bit信號還是具體物體的刺信號，最終都必須通過效應(yīng)器對機體的行為產(chǎn)生響。與真實現(xiàn)實一樣，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，人們與系統(tǒng)環(huán)境不僅有信息的溝通，而且也有物質(zhì)和能量的交換。比如，在一個充滿恐怖的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，人體植物神經(jīng)系統(tǒng)中交感神經(jīng)居于主要地位，此時機體心跳加快、內(nèi)臟與皮膚血管收縮、支氣管平滑肌張、胃腸蠕動抑制、瞳孔擴大、豎毛肌收縮、汗腺分泌、糖元代謝加快、葡萄糖分解增多、能量消耗加大。這種情形下，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人們不僅有信息(恐怖)的交流，而且也有物質(zhì)(葡萄糖)與能量(熱能)的改變。

人的反射活動，進一步可分為非條件反射(un-conditionedreflex)與條件反射(conditionedrelfex).非條件反射是種族所共有的、與生俱來的、有著固定反射弧的反射活動，比如吮吸反射、角膜反射、性反射。條件反射則是在非條件反射基礎(chǔ)之上的個體在其社會實踐中逐步形成的反射。

巴浦洛夫認為信號活動(即條件反射)是大腦皮質(zhì)基本的活動。他把這種信號分為兩類:第一信號與第二信號。第一信號指現(xiàn)實的具體信號，比如燈光、鈴聲、食物的具體性狀。第二信號指抽象化的信號，比如”食物”這一詞并不代表某一具體食品，而是對一切具有食物屬性事物的概括。語言與文字是在具體信號的基礎(chǔ)上形成的，是具體信號的信號，即第二信號。第二信號系統(tǒng)是在第一信號系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立起來的。例如對”寒冷”一詞的理解，起初只是因為在大雪紛飛時，溫度的降低通過感受器使小孩產(chǎn)生了痛覺而哭啼，于是小孩把”寒冷”與”大雪”聯(lián)系在一起。隨著小孩的成長與教育，”寒冷”一詞就會與”冬天”、”冰”、”凍瘡”、”霜”等聯(lián)系在一起。

那么，在虛擬現(xiàn)實中，人們?yōu)槭裁磿X得寒冷呢，這可以通過視覺:大雪紛飛的場面出現(xiàn)，也可以通過寒風(fēng)呼嘯的聽覺，也可以通過對皮膚產(chǎn)生一定痛值的刺激達到。無論是哪種方法，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，人們對寒冷的感知必須具備以下條件:

(1)作為虛擬現(xiàn)實主體的人本身必須有對寒冷的感受經(jīng)驗，比如打寒戰(zhàn);

(2)對寒冷誘因如大雪、寒風(fēng)等的直接或間接感知;

(3)對一定背景的邏輯推斷力:如看到臘梅傲開、草地枯黃的場景，便能推斷出可能是冬季;

(4)所控制使用者(人)行為電子信號的設(shè)立必須是建立在對人的生理、心理行為的研究基礎(chǔ)之上的。

由此可見，首先，真實現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實都是依賴于人的神經(jīng)系統(tǒng)的。離開了人的生理基礎(chǔ)，討論真實現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實是毫無意義的。擴展現(xiàn)實的情形兼有上述兩種情況。其次，擴展現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實是依賴于真實現(xiàn)實的。我們可以在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中實現(xiàn)某件”不可能的事”。但是如果這種”不可能的事情”是什么我們都不知道，那么更談不上在虛擬現(xiàn)實中去實現(xiàn)它了。在真實現(xiàn)實中”有所思”，才能在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中”有所見”。因此，脫離真實現(xiàn)實的虛擬現(xiàn)實是不存在。

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當我們考察以間接(視頻)的方式(例如對不明物體的掃描)獲取的作為知識形態(tài)的真實現(xiàn)實時，就有一個重要的概念必須予以討論，即知識世界的范圍(extendofworldknowledge,EWK)。

知識世界范圍問題可以定義為我們對視頻物體和物體所在的世界事實上知道多少，我們可以用圖3表示知識世界的范圍。

圖3左端表明我們對所顯示出來的陌生的視頻世界一無所知。這個世界圖像的數(shù)據(jù)是非模型化的，因為這些圖像是通過對間接獲得的場景盲目掃描取得的。我們稱這樣的視頻世界為非模型化的世界(worldunmodeled)。非模型化的數(shù)據(jù)并沒有結(jié)構(gòu)的信息特征，因此非模型化的世界也稱作非結(jié)構(gòu)化的世界。這些非模型化的數(shù)據(jù)并沒有包含圖像內(nèi)容的信息。當前絕大多數(shù)遠程電子操縱系統(tǒng)的視頻顯示中，尤其是在不明環(huán)境下的水下探險、軍事調(diào)動中，非模型化的世界表明得尤為明顯。

知識世界范圍另一端是完全模型化的世界(worldcompletelymodeled)。虛擬世界就是一個完全模型化的世界。只有當確切知道某一個世界中的每一個物體是什么，它在該世界中的位置，觀察者在該世界中的視角和人體運動軌跡時，我們才能構(gòu)建虛擬現(xiàn)實。

雖然知識世界的兩端是常見的情形，但是更多的是需要將真實的物體和虛擬物體融合在一個視頻畫面中。這里就有三種情況:where,what和where+what。在某些情景中，我們可能知道一個物體的位置，但是卻不知道它是什么;在另一些情景中，我們可能知道場景中的物體是什么，但卻不知道它的位置;還有一些情景，我們知道場景中某些物體是什么和它所處的位置的信息，但卻不知另一些物體這些方面的信息。我們稱這樣的視頻世界為部分模型化的世界(worldpartiallymodeled)。與此形成對比的是，在非模型化世界中，我們沒有任何關(guān)于”where”和”what”的信息，在完全模型化的世界中，我們知道所有的”where”和”what”信息。

知識世界范圍間題在擴展現(xiàn)實中有著十分廣泛的和重要的應(yīng)用。通常，將任意一幅虛擬畫面疊加到一幅真實現(xiàn)實的圖畫中，技術(shù)上是十分簡單的