来源：第三维度
    作者：赵沁平(北京航空航天大学)

   从虚拟现实、增强现实到自由式虚拟现实

   虚拟现实（Virtual Reality，VR）是将一定范围内的真实（假想）环境逼真地映射到数字空间，用户可借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互，产生亲临真实（假想）环境的感受和体验。虚拟现实的概念、研究目标和研究领域大体上成形于20世纪80年代末。20世纪90年代以后，由于需求的拉动，虚拟现实发展加速，应用领域不断扩大，产生巨大效益和重要影响的应用系统不断出现[1]。

   虚拟现实强调“3I”特征[2]，即：沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination）。虚拟现实系统需要大量的虚拟场景建模和虚拟场景表现（视觉、听觉、触觉等）工作。

   随着虚拟现实应用领域的不断扩展，人们发现一些应用完全可以依托真实环境，只将少量的真实环境中没有或需要灵活变更的景物，通过虚拟现实建模，构造成相应的虚拟景物，将其融入真实场景，这样可以有效提高虚拟环境的建模效率，扩展虚拟现实的应用领域。这就是增强现实（Augmented Reality，AR）所研究的内容[3]。增强现实借助必要的设备，使计算机生成的虚拟对象与真实环境共存于同一个增强现实系统中，从感官和体验效果上呈现给用户虚拟对象与真实环境融为一体的增强现实场景。

    增强现实主要通过各种传感设备（例如摄像机）采集并构成真实环境（对象），利用三维注册、虚实遮挡等虚实融合技术，形成虚拟对象与真实环境相融合的增强现实环境。增强现实有两个相关的基点：

    （1）在概念上，认为数字空间中的视频环境即是真实环境；

    （2）在技术上，通过图像与几何模型的无缝结合实现虚实融合。

    随着显示技术和设备的发展，出现了透視式头盔显示器[4]。透視式头盔使得用户在观察现实物理对象时，可以直接将虚拟对象叠加上去[5]，透視式头盔给我们开辟了新的技术想象空间。本文完全从应用角度出发，基于对未来透視式头盔、眼镜或望远镜的发展期望，提出“自由式虚拟现实（Free Virtual Reality）”（简称“自由虚拟（Free Virtuality，FV））”的概念。自由虚拟是虚拟现实的一种新的应用模式和方向，是我们研究的一个新目标。

   自由式虚拟现实的含义和系统构成

    自由虚拟主要是从视觉出发，使用户在一定真实环境中，借助透視式头盔或眼镜，可以在任何一个地点看到虚拟或设想的景物。例如，在天安门广场可以看到草坪喷泉，路上行驶的奥迪车变成红旗车，走在巴黎街头，可以看到凯旋门换成了 天安门。

    自由虚拟技术需要计算机视觉、精确定位、增强现实、大型模型库、三维检索、机器学习和实时绘制等多方面的技术。下面是自由式虚拟现实系统的主要构成和工作流程。

     自由式虚拟现实的3A特征

    相对于一般虚拟现实系统的3I特征，自由虚拟系统更加强调3A，即：

    （1）任意性（Anywhere）：在一定范围真实环境中的任何地方都可以进行虚化；

    （2）主动性（Active）：虚化的景物是由用户自己想定和选择的；

    （3）增强性（Augmented）：虚实结合，虚拟景物对真实景物的替换或扩充。

    相对于一般增强现实系统，自由虚拟强调现场性和任意性。现场性认为只有现实的物理环境才是真实环境，因而目前只能通过透視式观察设备才能体验自由虚拟环境。自由虚拟技术需要针对现场真实环境，对从模型库中选取的模型进行实时的，或者具有学习机制的绘制改造，以增强虚实融合的真实感。

    由于自由虚拟系统具有3A特征，将在建设规划、设备维护、军事训练等领域得到更好的应用。虚拟现实、增强现实、自由虚拟从不同着眼点出发，强调各具特色的技术，依赖不同的交互设备，具有不同的应用模式，适应了不同的应用需求。同时，三者具有基本的共同点，共同推动和扩展了虚拟现实的应用领域。

    作者简介：赵沁平

    中国工程院院士
    中国计算机学会高级会员
    北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室主任
    主要研究方向为虚拟现实。zhaoqp@vrlab.buaa.edu.cn

    参考文献

    [1] 赵沁平. 虚拟现实综述. 中国科学，2009,39(1):2～46

    [2] Grigore Burdea and Phillippe Coiffet. Virtual Reality Technology. John Wiley and Sons, 1994

    [3] Regenbrecht H, Wagner M. Interaction in a collaborative augmented reality environment. In: CHI '02 Extended    Abstracts on Human Factors in Computing Systems. New York, USA: ACM, 2002. 504～505

    [4] 王涌天. 增强现实研究进展. 第五届中国计算机图形学大会，2005

    [5] http://vr.c-s.fr/starmate