高二虛擬現實的科技論文1500左右(2)
高二虛擬現實的科技論文1500左右篇二
論真實現實、擴展現實和虛擬現實
論文 關鑲詞:真實現實 擴展現實 虛擬現實 真實虛擬連續統 知識世界 客觀存在
論文摘要：本文認為真實現實(real reality)、擴展現實(augmented reality)和虛擬現實(virtual reality)屬于同一系列的概念，它們共同組成了真實——虛擬連續統(reality一virt uality continuum). 它們是對客觀存在的三種不同的認知形態，共同構成了知識世界的范圍(extend of world knowledge).
國內外已有一些關于虛擬現實(Vitrual Reality)討論。不同的學者對虛擬現實有著不同的理解和定義。筆者認為虛擬現實是使用 計算 機所創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)虛擬現實是使用 計算機技術創造的，以區別 電子 存在和其他的遠距離感覺方法;
(2)虛擬現實中計算機技術 應用所產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。
虛擬現實是人類利用特定的計算機 語言或 軟件(如OpenGL SDK VRML)，整合一些特殊技術(如信息圖形技術(infographic technology)、人體運動跟蹤技術(human movement tracking technology)、實時人體運動捕獲技術(real一time human body motioncapture technology)等，和特定的輸入輸出設備，如頭盔顯示器(head mounted display),數據手套(datagloves)等，開發形成的一個三維人機互動系統。在這個交互系統中，參與者不僅具有參與感，而且具有身臨其境的沉浸感。隨著虛擬技術的理論和 實踐的不斷 發展 ，這一系統已經達到了以假亂真的境界。
虛擬現實完全是由計算機技術所創造的。在虛擬現實系統中，人與真實世界完全處于隔離狀態，在虛擬現實中已不存在 自然 狀態的物理時間和空間。人完全被虛擬現實系統所控制。虛擬原義是假，現實含義是真。因此，將這兩個術語結合起來，屬于典型的矛盾修飾法(oxymoron)。國外的一些學者認為這樣的術語不容易讓人們接受，所以又將它稱為”合成 環境(synthetic environment)”,”賽博空間(cy-berspace)”,”人造現實(atr ificial reality)”,”模擬技術(simulator technology)”等。國內在引進這一術語時，有人曾認為虛擬現實易與”客觀現實”這一術語相棍淆，故提議譯作”靈境”。但是，”虛擬現實”這一術語還是被絕大多數人所接受的。
我們在論及虛擬現實時，不少人將虛擬現實與“客觀存在”和”客觀現實”相提并論。嚴格的說，客觀存在和客觀現實是 哲學 上的概念，與虛擬現實不屬同一系列的概念。本文認為虛擬現實與真實現實和擴展現實屬于同一系列概念。對它們進行考察時應該注意它們之間的相關性。
真實現實有雙重含義:一是作為客觀存在的真實現實。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，真實現實是人類賴以生存的基礎。二是作為知識形態的真實現實。它們是人類對于客觀存在的認知結果。當我們在討論與擴展現實和虛擬現實相對應的真實現實時，真實現實指的是一種知識形態。作為知識形態的真實現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、三節中分別予以考察。
客觀存在是一個哲學范疇。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實。這也是真實現實的第一層含義。
真實現實和虛擬現實是人類對客觀存在認知的兩個極端形態。處于這兩個極端之間的就是擴展現實(augmented reality)，擴展現實也稱為混合現實(mixed reail ty)。其實這兩者還是略有區別的，我們將在下文中論及。不過擴展現實術語更能反映人類的認知能力和形態，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實和混合現實。
混合現實是由真實現實和虛擬現實共同組成的。例如，真實的環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別哪些是真實的，哪些是虛擬的。混合現實又分為兩種情形。一種是擴展現實。上面舉的例子就是屬于擴展現實。另一種是擴展虛擬(augmentedvitr uality)。例如，虛擬的環境加上某些真實的物體共同構成擴展虛擬。擴展現實有三個基本特征。
(1)真實性:某些環境是人工創造的，因而它是虛擬的。但是在擴展現實中肯定有源于真實現實的部分;
(2)非沉浸感:在顯示擴展現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，方位感成為擴展現實迫切需要解決的問題。
真實現實、擴展現實和虛擬現實三者構成了一個真實一虛擬連續統(reality一virt uality continuum),它們之間的關系可以用圖1表示:
擴展現實與虛擬現實的區別是顯而易見的。在虛擬現實系統中，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控制之中。人失去與真實現實的一切 聯系。擴展現實則不同，它是將虛擬的物體融合到真實的環境中，或者將真實的物體融合到虛擬的環境中。在擴展現實中，人可以感受到真實世界的存在。當然，擴展現實所展現出來的世界并不完全是真實現實。它們中的虛擬成分是對真實現實的擴展。真實現實受物理法則的支配，而虛擬現實不受物理法則支配。在擴展現實中，如何將真實的部分和虛擬的部分完美無缺地融合在一起，這已成為計算機領域中的熱門話題。就其實際應用價值而言，擴展現實遠遠大于虛擬現實。例如，在人工心臟手術中，可以在計算機上實時捕捉人體胸腔內動態圖像，同時將人工心臟作為虛擬物體加進動態圖像中，進行虛擬物體與真實環境的匹配。再如，擴展現實在體內腫瘤的診斷中也有廣泛的應用。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境中，從而確定保護文物的最佳環境。除了 醫學、文物保護之外，擴展現實在建筑裝修、軍事偵察、宇宙空間探索等領域應用也極為廣泛。
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的真實現實時，我們認為，真實現實、擴展現實和虛擬現實有著相同的認知生理基礎。
我們都知道神經系統是人類進行意識活動的基礎。神經調節的基本方式是反射(relf ex)，即在中樞神經系統的控制下，機體對內外環境變化的刺激所發生的有適應性的反應。反射活動的結構基礎是反射弧(relf ex Arc)，它由五部分構成，即:感受器、傳入神經、神經中樞、傳出神經和效應器。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外環境的刺激轉變成神經信息(即神經沖動)，由傳入神經傳至神經中樞(位于腦、脊髓內的那些與某一反射活動有關的神經細胞群)。神經中樞對傳入的信息經處理后發出指令，經傳出神經將指令傳至與其相連的由肌肉構成的各器官或腺體，并改變其活動以適應這一環境條件的變化。
人的神經系統并不會因為信息科技的發展而改變。在真實現實、擴展現實和虛擬現實中，信號在人的神經系統中輸入輸出的路徑是一致的，即反射弧。從輸入端看，真實現實與虛擬現實所不同的是神經元接受信號的方式不同:在真實現實中，是具體物體對感受器官產生了刺激，比如波長為370一740nm的電磁波刺激了眼睛中的神經元而使大腦對事物產生了感覺。而在虛擬現實中，這種信號表現為由0,1構成的二進制中的一些字符串，其最小單位為bit.它們是對人類神經系統產生刺激信號的一種方式。
隨著信息科技的發展，虛擬現實中的bit信號刺激可以越級進行，這在真實現實中是不能做到的。這種越級表現為:在神經反射弧路徑中，bit信號不一定必須從感受器開始，而可以從傳入神經、神經中樞、傳出神經或效應器開始。這是有別于在真實現實中物體對機體的刺激而導致生理行為的路徑，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器對機體的行為產生響。與真實現實一樣，在虛擬現實系統中，人們與系統 環境不僅有信息的溝通，而且也有物質和能量的交換。比如，在一個充滿恐怖的虛擬現實系統中，人體植物神經系統中交感神經居于主要地位，此時機體心跳加快、內臟與皮膚血管收縮、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，虛擬現實系統中的人們不僅有信息(恐怖)的交流，而且也有物質(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-conditioned reflex)與條件反射(conditioned relf ex).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上形成的，是具體信號的信號，即第二信號。第二信號系統是在第一信號系統的基礎上建立起來的。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生了痛覺而哭啼，于是小孩把”寒冷”與”大雪” 聯系在一起。隨著小孩的成長與 教育 ，”寒冷”一詞就會與”冬天”、”冰”、”凍瘡”、”霜”等聯系在一起。
那么，在虛擬現實中，人們為什么會覺得寒冷呢，這可以通過視覺:大雪紛飛的場面出現，也可以通過寒風呼嘯的聽覺，也可以通過對皮膚產生一定痛值的刺激達到。無論是哪種方法，在虛擬現實系統中，人們對寒冷的感知必須具備以下條件:
(1)作為虛擬現實主體的人本身必須有對寒冷的感受 經驗，比如打寒戰;
(2)對寒冷誘因如大雪、寒風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 信號的設立必須是建立在對人的生理、 心理行為的研究基礎之上的。
由此可見，首先，真實現實、虛擬現實都是依賴于人的神經系統的。離開了人的生理基礎，討論真實現實與虛擬現實是毫無意義的。擴展現實的情形兼有上述兩種情況。其次，擴展現實和虛擬現實是依賴于真實現實的。我們可以在虛擬現實系統中實現某件”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實中去實現它了。在真實現實中”有所思”，才能在虛擬現實系統中”有所見”。因此，脫離真實現實的虛擬現實是不存在。
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的真實現實時，就有一個重要的概念必須予以討論，即知識世界的范圍(extend of world knowledge,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。
左端表明我們對所顯示出來的陌生的視頻世界一無所知。這個世界圖像的數據是非模型化的，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(world unmodeled)。非模型化的數據并沒有結構的信息特征，因此非模型化的世界也稱作非結構化的世界。這些非模型化的數據并沒有包含圖像內容的信息。當前絕大多數遠程電子操縱系統的視頻顯示中，尤其是在不明環境下的水下探險、軍事調動中，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(world completely model ed)。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，我們才能構建虛擬現實。
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(world partially modeled)。與此形成對比的是，在非模型化世界中，我們沒有任何關于”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實中有著十分廣泛的和重要的 應用。通常，將任意一幅虛擬畫面疊加到一幅真實現實的圖畫中，技術上是十分簡單的。但是，從實際應用出發，為了使圖像有合適的顯示，就必須確切知道真實世界的物體在哪里和它的軌跡。當我們處理非結構化和完全非模型化的世界時，試圖確定”where”和”what”信息決不是一件簡單的事。假設我們知道視頗世界所有物體的”where”和”what”信息，那么我們就可以認為，與虛擬現實相比，擴展現實對于人類是更有價值的。
由此可見，從信息的角度看，在知識世界范圍內，真實世界、擴展世界和虛擬世界是人類認知的三個階段。從完全不知到部分認識再到完全認識的過程，表明人類認識的進步。
雖然我們對非模型化的世界一無所知，但是它卻是真實世界視頻窗口，認識的目的正在于對真實世界的改造。
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