一文看懂VR、AR 和 MR

虚拟现实VR一般指一种技术，它仿真真实和虚拟世界，使人类沉浸地融入一个三维空间，产生有立体感的视觉、听觉、触觉甚至嗅觉，在一个确定范围内非常类似于真实世界。它有三个特征(3R):实时渲染( Real time)、真实空间(Real space)和真实交互(Real Interaction)。

数字化的巨浪把数字革命从我们的真实世界活动引入到了虚拟世界。除了通信、购物、学习、生产、游戏、交友外，人们发微信、玩网游、看3D影视等，消耗在虚拟世界的时间在逐步超过在真实世界的时间。

VR技术依靠其沉浸感把人类推高到虚拟环境的一个高境界。HMD ( Head Mounted Display，即头戴式显示器(俗称头盔)，结合跟踪系统使得沉浸容易实现，大大推动了虚拟现实的发展，应用纷纷涌现，令人眼花缭乱。随着发展，AR和MR成了虚拟现实的新宠。

VR

关于VR有不同的定义:虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。

虚拟现实VR一般指一种技术，它仿真真实和虚拟世界，使人类沉浸地融入一个三维空间，产生有立体感的视觉、听觉、触觉甚至嗅觉，在一个确定范围内非常类似于真实世界。它有三个特征(3R)，即实时渲染( Real time)、真实空间(Real space)和真实交互(Real Interaction)。

几十年来，VR在游戏、影视、专业学习与训练、旅游、制造、军事等各个方面极大地影响了人类。近年来，随着HMD的普及和远程通信技术的发展，距离已经不成问题，在真实环境中融入虚拟现实获得了人们的青睐，从而诞生了增强现实(AR)。进一步，技术的发展使得真实环境和虚拟环境可以更好地融合，人类可以灵活地游走于虚、实环境，从而混合现实(MR)大大发展，以至于Microsoft号称其Hololen、系统只聚焦于混合现实。

AR

什么是增强现实(AR)，百度百科和维基百科说:增强现实技术是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。

增强现实技术AR，以一种鲜活的直接或间接视点交互物理真实环境，其中的成分已获“增强”，增强效果借助于计算机生成或真实世界传感输入，诸如声音、视频、图形或GPS数据等。

显然，VR本身是基于个人计算机诞生的，而增强现实和参与者的现实环境相关，因此可以说是面向移动计算的。

MR

混合现实MR有时也称hybrid reality，它把真实世界和虚拟世界合成在一起，产生一个新的环境，使之形象化，物理和数字对象共存，实时的交互。混合现实不仅仅发生在真实世界或虚拟世界，而且把现实和虚拟现实融合到了一起，借助于沉浸技术包容了增强现实和增强虚拟。

横向两端分别是真实(环境)和虚拟(环境)，从左往右，对真实世界略有修改的状态称为放大现实(Amplified Reality)。放大现实意味着借用计算手段将物理对象的性质予以充实。AR是关于如何让用户感知真实，放大现实则是影响用户感知真实。

我们在广义上把VR,AR和MR统称为虚拟现实(VR)。下面就以VR统称它们。

虚拟现实的历史与由来:Virtual Reality这个词是由美国计算机科学工作者Jaron Lanier在上世纪80年代末引入的。但是，追溯起来，虚拟现实的历史要悠久得多。我们列出了发展历史：

到了21世纪，计算设施和智能手机越来越强大、高清晰度显示和3D图像能力剧增，VR迅速发展。各种头盔(如Google Cardboard , Samsung galaxy Gear , Oculus Rift , HTC vive)的问世，大幅推动了VR的发展。

云计算又使得基于云端的VR应用纷纷涌现，AR和MR成了主流。一些IT尤其是软件界巨头，如Google ,Apple和Microsoft开始竞相大力布局AR和MR，构建自己的VR生态系统。

以Microsoft为例，2015年1月，微软对Microsoft HoloLens混合现实设备的能力进行了发布和展示。它可以无缝地把全息对象集成到用户世界，有时难以区分自己是在现实世界还是虚拟世界。微软在做一个大布局，就像当年Apple开发智能手机iPhone一样，开放接口，让基于HoloLens平台的新应用不停地由独立开发者开发出来，共享这个大饼。

感知技术

01视觉

计算机的显示技术经历了显像管CRT,液晶LC D等时代，期间，等离子显示也曾流行，但目前基本上有LCD占据主流。

虚拟现实的显示目前有HMD头盔、投影和桌面显示三种主要方式，最受青睐的是HMD。

以Microsoft的HoloLens为例:它拥有3个处理器—CPU,GPU,HPU(holographic processing unit);Inertial Measurement Unit(IMU)—加速度传感器、陀螺仪、磁力计;摄像机一一一5个可见波长摄像机、一个远红外摄像机;一个远红外激光投影器;麦克风等等。

为了发挥自己潜力，HMD和跟踪器配合在一起，探测角度、方向甚至是位置的变化，以便在计算机里控制VR应用，按特定实践渲染成虚拟场景。

在医疗外科应用中，还使用了X射线视像，和传统视像合成在一起。传统的HMD可以提供大多数沉浸感，但还有不足，主要如显示粒度、视角大小等。

02听觉

声音是我们日常生活体验的一部分，从中获取大量信息。声音来自不同空间位置，我们生活中感知的是空间声音。如何在虚拟环境里构建空间声音一个重要挑战。

声音在虚拟显示系统中扮演着不同角色，如:

1)补充信息:声音可以提供较仅有视觉外补充的、更丰富的信息。少许的回声和反响都可使人的大脑对关注对象的方位和距离，以及环境大小和背景有新的认识。

2)可供选择的反馈:声音反馈可以提升用户接口(例如可以用声音指示用户命令的确认或选择的对象)。

3)可供选择的交互模式:声音是一种有效的通信通道。语音识别和语音合成可以有效地提升VR效果。

03触觉

目前的大多数VR应用提供视觉和听觉反馈，较少涉及力反馈。但是，很多VR应用，迫切需要涉及触觉和肌肉运动知觉，给人“接触”虚拟物体的能力。触摸是人的一种重要感觉，其中包括皮肤接触和肌肉运动触觉等。

典型的触觉感知设备和技术如:数据手套(Data Gloves)。

手是人触摸的一个主要输入通道，是通过触摸感知和操纵外部环境的主要接口。因此，手套形式的VR设备被大量设计和开发出来。这类手套里纳入了大量的传感器，用于获取手指弯曲等身体数据。内置磁性或惯性的运动跟踪器( motion tracker)用于获取全方位的手套位置与旋转数据。有的还有响应激励设施，用于反映用户在虚拟现实应用中的反应，例如在手指关节处内置可充气气囊，在用户接触虚拟物体时，弯曲手指或握拳时适时将小气囊充气，用户感知气囊压力，虚拟环境逼真仿真出握到虚拟物体的感觉。市场上已有丰富的数据手套产品，如CyberGlove,SDT Data Glove。它们拥有丰富的传感功能，蓝牙接口，开发SDI等。

应用

VR不只是在游戏娱乐中找到用武之地，其应用的领域很广，主要应用在健康、教育、娱乐、文化、工业和军事等领域。

01健康科学

虚拟现实技术广泛应用在健康领域，如外科、康复等。

虚拟外科

虚拟现实应用的一个热门课题，很多系统被开发出来。手术前的准备往往可以用一个VR系统来实现。这样的系统让外科医生在一个虚拟环境里熟悉和改进技能，大大有利于真实手术过程。

心理治疗

心理治疗中使用虚拟现实也很有用。例如，对于孤独症儿童而言，直接将其置于人群中可能儿童会不适应。使用VR技术，让他/她在虚拟人群中先熟悉起来，在逐步让其真正融入人群会更有利。

虚拟解刨

心理治疗中使用虚拟现实也很有用。例如，对于孤独症儿童而言，直接将其置于人群中可能儿童会不适应。使用VR技术，让他/她在虚拟人群中先熟悉起来，在逐步让其真正融入人群会更有利。

02工业制造业应用

计算机在产品开发中广泛使用，计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助装配规划(CAAP )等是产品生命周期里广泛使用的计算机系统。VR技术的应用大大提高CAD/CAM处理能力

03军事应用

虚拟现实在军事上的应用由来已久。战场的态势感知(Situation Awareness)是军事上的重要问题。大量侦察到的信息，无论来自卫星、雷达、传感设备，还是飞机侦察等，需要收集起来、融合到一起，借助于3D技术和虚拟现实技术就可以把战场环境虚拟地再现出来，有利于指挥和作战。

培训也是虚拟现实技术在军事上的重要应用。飞机驾驶、导弹操控、军舰操作往往可以借助于VR技术部分实现，从而减少成本，避免新手初操作时容易发生的事故。其他还有:战士的单兵作战系统、飞行员的驾驶系统等。