2016年10月28日

虛擬實境(VR)、擴增實境(AR)、混合實境(MR)─ 虛實交織的世界

作者/曲建仲(臺灣大學電機工程學系博士,美商德州儀器公司市場行銷與資深應用工程師,負責嵌入式處理器與無線微控制器相關產品,應用在各種工業與消費性電子產品與物聯網。)

從HTC 推出的「Vive 頭戴式顯示器」讓使用者體驗「虛擬實境(Virtual Reality, VR)的遊戲,到最近由任天堂、精靈寶可夢、Niantic公司推出的「Pokémon GO」讓使用者體驗將虛擬與真實影像結合的「擴增實境(Augmented Reality, AR) 」,以及之前微軟公司推出的「HoloLens眼鏡」讓使用者體驗「混合實境(Mixed Reality, MR) 」,這三種目前最流行的視覺效果到底有什麼不同?又可以分別使用什麼樣的技術來達成呢?本文將先說明這三種視覺效果的定義,再介紹可能達成這三種視覺效果的顯示器技術,最後再以實際的應用說明虛擬實境、擴增實境、混合實境在民生與工業上可能的應用。








圖一:Vive頭戴式顯示器與動作感測器。(Flickr- Red_Shuheart, goo.gl/yn0zMP)


虛擬實境─ VR
虛擬實境是完全利用顯示器技術,在使用者的眼睛周圍建立一個立體、看似真實的虛擬世界,讓使用者以為自己身處在如同現實一樣的環境中,目前虛擬實境大多都是設計一個特別的眼鏡可以將眼睛周圍的空間完全包覆,如圖一所示為Vive 頭戴式顯示器,再配合適當的音效產生聽覺體驗,而在使用者進行遊戲時,電腦必須知道使用者的肢體動作才能對應產生適當的影像,來達到與使用者互動的情境,因此通常還會結合動作感測器來偵測使用者的動作。


虛擬實境的頭戴式顯示器所產生的影像通常都是由動腦動畫所產生,因此可以製作出任何創作者想像的虛擬世界,而且經由左眼與右眼相差6公分的影響,可以讓使用者的大腦因為視差而產生立體感形成3D 影像,它的原理與我們在電影院所看的3D立體電影相似,我們可以想像正在玩一個「秀姑巒溪泛舟」的遊戲,我們的雙眼看到自己坐在小船上隨著踹急的河流載浮載沉,結合洶湧的溪水聲傳入我們的耳朵,而我們雙手拿著移動感測器由前向後划動,就好像我們真的在秀姑巒溪上划船一樣,而我們雙眼看到的影像,會隨著我們的雙手一前一後的划動而看到不同的影像,那真的就是身歷其境的感覺了!

擴增實境─ AR
擴增實境是將虛擬的影像「擴增(Augmented)」到真實的空間中,不同於虛擬實境在使用者眼睛周圍建立一個完全虛擬的空間來取代真實空間,擴增實境並不是要取代真實空間,而是在真實空間中加入虛擬物件,讓使用者看到一個虛擬與真實交織的世界,目前最為大家所熟知的擴增實境遊戲應該就是「Pokémon GO」,當我們打開手機相機的「預視功能(Preview)」,就可以在手機螢幕上看到我們前方的真實世界影像,這個時候一隻可愛的精靈出現在手機螢幕上疊合在真實世界影像,視覺上就好像真的有一隻精靈出現在我們眼前一樣,如圖二所示,只不過此時我們眼前的真實世界是透過手機螢幕看到的。







圖二:精靈寶可夢遊戲的畫面。利用手機相機取得真實影像,再與虛擬影像結合。(shutterstock)

擴增實境另外一個重要的應用是汽車工業,我們開車時眼前的真實影像是透過前擋風玻璃看到的,當夜晚行車時前方有行人或小動物忽然跑出來,常常會讓我們反應不及,而這個時候可以利用一個高感光度的電荷耦合元件(Charge Coupled Device, CCD)偵測前方的影像並且利用處理器運算從昏暗不明的背景裡取出行人或小動物的「虛擬影像」,再以數位光源處理器(Digital Light Processing, DLP)的投影顯示技術將影像投射到前擋風玻璃與我們看到的「真實影像」疊合。視覺上就好像真的有明顯的行人或小動物在我們眼前一樣。我們都知道行車時低頭看儀表板或顯示器是很危險的動作,而有了這樣的擴增實境技術駕駛人不必低頭看螢幕,只是像平常一樣看著前擋風玻璃開車就可以達到安全的目的了!

混合實境─ MR
虛擬實境是讓使用者完全看到「虛擬」的影像,擴增實境是將虛擬的影像「擴增」到真實的空間中,而混合實境結合「虛擬」與「擴增」實境的一種技術,混合實境也可以產生虛擬影像擴增到真實的空間中,不同的是它還可以讓虛擬影像在真實空間中與使用者進行更多的互動,例如:使用者可以利用手勢將一張虛擬的沙發影像放在真實的客廳裡,讓使用者看看這張沙發放在客廳的感覺,如果覺得不好看,那就可以利用手勢再選擇其他虛擬的沙發影像放在真實的客廳裡,手勢的辨識需要使用到特別的影像感測器或動作感測器,另外產生虛擬影像擴增到真實的空間中也需要特別的投影顯示技術,基本上混合實境所需要的設備應該是最複雜的。

微軟(Microsoft)在2015年推出的HoloLens就是混合實境的應用,如圖三所示為HoloLens眼鏡,這種技術可以將虛擬影像顯示在眼鏡上,當使用者經由眼鏡看到「真實」的世界,就會覺得有一個「虛擬」的物件疊合在上面,我們想像這個例子:你買了一間新房子但是不確定什麼樣的傢俱放在自己的客廳比較合適,有了HoloLens眼鏡你可以戴著他走進你的客廳,經由眼鏡連結到線上傢俱商店,直接選擇你要的傢俱並且把傢俱的虛擬影像經由HoloLens眼鏡疊合在你家客廳的真實影像上,就好像真的有一個傢俱擺放在你的客廳裡一樣,如果這個不喜歡可以立刻換一個,因為它只是個虛擬影像而已很容易更換,換到真正滿意的再下單購買。如果設計特別的影像感測器或動作感測器,可以讓「更換」的動作更自然容易。同樣的技術可以應用在工業上,當一位機械設計師不知道自己設計的齒輪是否可以連接到馬達上,可以把齒輪的虛擬影像經由HoloLens眼鏡疊合在馬達的真實影像上,就好像真的有一個齒輪接結在馬達裡一樣,這樣的場景出現在科幻電影鋼鐵人裡,男主角史塔克在他的工作室裡設計新的鋼鐵衣,就描述了混合實境的應用。......【更多內容請閱讀科學月刊第563期】



圖三:微軟HoloLens 眼鏡。

(A)微軟HoloLens 眼鏡外觀(Flickr- Microsoft Sweden, goo.gl/r6VAIo)







(B)HoloLens 應用於客廳,讓虛擬影像與真實空間結合。(Flickr-Microsoft Sweden, goo.gl/zOSsKU)

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