淺談?wù)鎸?shí)現(xiàn)實(shí)、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)

淺談?wù)鎸?shí)現(xiàn)實(shí)、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)

論文關(guān)鑲詞:真實(shí)現(xiàn)實(shí)擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)真實(shí)虛擬連續(xù)統(tǒng)知識(shí)世界客觀存在

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

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國(guó)內(nèi)外已有一些關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)(VitrualReality)討論。不同的學(xué)者對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)有著不同的理解和定義。筆者認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)是使用計(jì)算機(jī)所創(chuàng)造的交互式的三維空間效果，在這個(gè)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(gè)特征:

(1)虛擬現(xiàn)實(shí)是使用計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)造的，以區(qū)別電子存在和其他的遠(yuǎn)距離感覺(jué)方法;

(2)虛擬現(xiàn)實(shí)中計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用所產(chǎn)生的是效果而不是幻覺(jué);

(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(shí)是人類(lèi)利用特定的計(jì)算機(jī)語(yǔ)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(yùn)動(dòng)跟蹤技術(shù)(humanmovementtrackingtechnology)、實(shí)時(shí)人體運(yùn)動(dòng)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(kāi)發(fā)形成的一個(gè)三維人機(jī)互動(dòng)系統(tǒng)。在這個(gè)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(shí)踐的不斷發(fā)展，這一系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了以假亂真的境界。

虛擬現(xiàn)實(shí)完全是由計(jì)算機(jī)技術(shù)所創(chuàng)造的。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，人與真實(shí)世界完全處于隔離狀態(tài)，在虛擬現(xiàn)實(shí)中已不存在自然狀態(tài)的物理時(shí)間和空間。人完全被虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所控制。虛擬原義是假，現(xiàn)實(shí)含義是真。因此，將這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)結(jié)合起來(lái)，屬于典型的矛盾修飾法(oxymoron)。國(guó)外的一些學(xué)者認(rèn)為這樣的術(shù)語(yǔ)不容易讓人們接受，所以又將它稱(chēng)為”合成環(huán)境(syntheticenvironment)”,”賽博空間(cy-berspace)”,”人造現(xiàn)實(shí)(atrificialreality)”,”模擬技術(shù)(simulatortechnology)”等。國(guó)內(nèi)在引進(jìn)這一術(shù)語(yǔ)時(shí)，有人曾認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)易與”客觀現(xiàn)實(shí)”這一術(shù)語(yǔ)相棍淆，故提議譯作”靈境”。但是，”虛擬現(xiàn)實(shí)”這一術(shù)語(yǔ)還是被絕大多數(shù)人所接受的。

我們?cè)谡摷疤摂M現(xiàn)實(shí)時(shí)，不少人將虛擬現(xiàn)實(shí)與“客觀存在”和”客觀現(xiàn)實(shí)”相提并論。嚴(yán)格的說(shuō)，客觀存在和客觀現(xiàn)實(shí)是哲學(xué)上的概念，與虛擬現(xiàn)實(shí)不屬同一系列的概念。本文認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)與真實(shí)現(xiàn)實(shí)和擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)屬于同一系列概念。對(duì)它們進(jìn)行考察時(shí)應(yīng)該注意它們之間的相關(guān)性。

真實(shí)現(xiàn)實(shí)有雙重含義:一是作為客觀存在的真實(shí)現(xiàn)實(shí)。它們是被人類(lèi)認(rèn)知了的客觀存在，與人類(lèi)處于交互作用之中。在此意義上，真實(shí)現(xiàn)實(shí)是人類(lèi)賴(lài)以生存的基礎(chǔ)。二是作為知識(shí)形態(tài)的真實(shí)現(xiàn)實(shí)。它們是人類(lèi)對(duì)于客觀存在的認(rèn)知結(jié)果。當(dāng)我們?cè)谟懻撆c擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)相對(duì)應(yīng)的真實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)，真實(shí)現(xiàn)實(shí)指的是一種知識(shí)形態(tài)。作為知識(shí)形態(tài)的真實(shí)現(xiàn)實(shí)或者是通過(guò)感官認(rèn)知的方式獲得的，或者是以視頻窗口方式(如對(duì)實(shí)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(gè)哲學(xué)范疇。它所表達(dá)的是不依賴(lài)于人類(lèi)主觀意識(shí)而獨(dú)立存在的事物的總和。被人類(lèi)所感知的客觀存在就是客觀現(xiàn)實(shí)。這也是真實(shí)現(xiàn)實(shí)的第一層含義。

真實(shí)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)是人類(lèi)對(duì)客觀存在認(rèn)知的兩個(gè)極端形態(tài)。處于這兩個(gè)極端之間的就是擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(augmentedreality)，擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)也稱(chēng)為混合現(xiàn)實(shí)(mixedreailty)。其實(shí)這兩者還是略有區(qū)別的，我們將在下文中論及。不過(guò)擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)術(shù)語(yǔ)更能反映人類(lèi)的認(rèn)知能力和形態(tài)，因而更能為人們所接受。除特殊說(shuō)明外，我們將在等同的意義下使用擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)。

混合現(xiàn)實(shí)是由真實(shí)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)共同組成的。例如，真實(shí)的環(huán)境加上虛擬的物體共同組成一幅(組)畫(huà)面，在這組畫(huà)面中我們根本無(wú)法區(qū)別哪些是真實(shí)的，哪些是虛擬的?；旌犀F(xiàn)實(shí)又分為兩種情形。一種是擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)。上面舉的例子就是屬于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)。另一種是擴(kuò)展虛擬(augmentedvitruality)。例如，虛擬的環(huán)境加上某些真實(shí)的物體共同構(gòu)成擴(kuò)展虛擬。擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)有三個(gè)基本特征。

(1)真實(shí)性:某些環(huán)境是人工創(chuàng)造的，因而它是虛擬的。但是在擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)中肯定有源于真實(shí)現(xiàn)實(shí)的部分;

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

(3)方位感:真實(shí)世界的物體是被感官直接觀察到或者通過(guò)某些電子綜合裝置獲得的(例如，水下攝像機(jī)對(duì)不明物體的攝像)。在后一種情況下，方位感成為擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)迫切需要解決的問(wèn)題。

真實(shí)現(xiàn)實(shí)、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)三者構(gòu)成了一個(gè)真實(shí)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(kuò)展現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)的區(qū)別是顯而易見(jiàn)的。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，人具有沉浸感。視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)部分或全部處于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制之中。人失去與真實(shí)現(xiàn)實(shí)的一切聯(lián)系。擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)則不同，它是將虛擬的物體融合到真實(shí)的環(huán)境中，或者將真實(shí)的物體融合到虛擬的環(huán)境中。在擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)中，人可以感受到真實(shí)世界的存在。當(dāng)然，擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)所展現(xiàn)出來(lái)的世界并不完全是真實(shí)現(xiàn)實(shí)。它們中的虛擬成分是對(duì)真實(shí)現(xiàn)實(shí)的擴(kuò)展。真實(shí)現(xiàn)實(shí)受物理法則的支配，而虛擬現(xiàn)實(shí)不受物理法則支配。在擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)中，如何將真實(shí)的部分和虛擬的部分完美無(wú)缺地融合在一起，這已成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的熱門(mén)話題。就其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值而言，擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于虛擬現(xiàn)實(shí)。例如，在人工心臟手術(shù)中，可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)捕捉人體胸腔內(nèi)動(dòng)態(tài)圖像，同時(shí)將人工心臟作為虛擬物體加進(jìn)動(dòng)態(tài)圖像中，進(jìn)行虛擬物體與真實(shí)環(huán)境的匹配。再如，擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)在體內(nèi)腫瘤的診斷中也有廣泛的應(yīng)用。擴(kuò)展虛擬在文物保護(hù)中可以起到重要的作用。一座孤零零的古代建筑(真實(shí)物體)可以放在一個(gè)虛擬的環(huán)境中，從而確定保護(hù)文物的最佳環(huán)境。除了醫(yī)學(xué)、文物保護(hù)之外，擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)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(dāng)我們考察以直接的方式(例如感官的認(rèn)知)獲取的作為知識(shí)形態(tài)的真實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)，我們認(rèn)為，真實(shí)現(xiàn)實(shí)、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)有著相同的認(rèn)知生理基礎(chǔ)。

我們都知道神經(jīng)系統(tǒng)是人類(lèi)進(jìn)行意識(shí)活動(dòng)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(jī)體對(duì)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(dòng)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(lái)自?xún)?nèi)外環(huán)境的刺激轉(zhuǎn)變成神經(jīng)信息(即神經(jīng)沖動(dòng))，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(dòng)有關(guān)的神經(jīng)細(xì)胞群)。神經(jīng)中樞對(duì)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(dòng)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(huì)因?yàn)樾畔⒖萍嫉陌l(fā)展而改變。在真實(shí)現(xiàn)實(shí)、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)中，信號(hào)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(shí)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)所不同的是神經(jīng)元接受信號(hào)的方式不同:在真實(shí)現(xiàn)實(shí)中，是具體物體對(duì)感受器官產(chǎn)生了刺激，比如波長(zhǎng)為370一740nm的電磁波刺激了眼睛中的神經(jīng)元而使大腦對(duì)事物產(chǎn)生了感覺(jué)。而在虛擬現(xiàn)實(shí)中，這種信號(hào)表現(xiàn)為由0,1構(gòu)成的二進(jìn)制中的一些字符串，其最小單位為bit.它們是對(duì)人類(lèi)神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生刺激信號(hào)的一種方式。

隨著信息科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)中的bit信號(hào)刺激可以越級(jí)進(jìn)行，這在真實(shí)現(xiàn)實(shí)中是不能做到的。這種越級(jí)表現(xiàn)為:在神經(jīng)反射弧路徑中，bit信號(hào)不一定必須從感受器開(kāi)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(kāi)始。這是有別于在真實(shí)現(xiàn)實(shí)中物體對(duì)機(jī)體的刺激而導(dǎo)致生理行為的路徑，這是科技進(jìn)步給人類(lèi)認(rèn)識(shí)與行為帶來(lái)的貢獻(xiàn)。由此導(dǎo)致了人是否會(huì)成為機(jī)器的奴隸的爭(zhēng)論。

從輸出端看，不論是bit信號(hào)還是具體物體的刺信號(hào)，最終都必須通過(guò)效應(yīng)器對(duì)機(jī)體的行為產(chǎn)生響。與真實(shí)現(xiàn)實(shí)一樣，在虛擬現(xiàn)實(shí)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(gè)充滿恐怖的虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)機(jī)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(dòng)抑制、瞳孔擴(kuò)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(shí)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(dòng)，進(jìn)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(lái)的、有著固定反射弧的反射活動(dòng)，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(gè)體在其社會(huì)實(shí)踐中逐步形成的反射。

巴浦洛夫認(rèn)為信號(hào)活動(dòng)(即條件反射)是大腦皮質(zhì)基本的活動(dòng)。他把這種信號(hào)分為兩類(lèi):第一信號(hào)與第二信號(hào)。第一信號(hào)指現(xiàn)實(shí)的具體信號(hào)，比如燈光、鈴聲、食物的具體性狀。第二信號(hào)指抽象化的信號(hào)，比如”食物”這一詞并不代表某一具體食品，而是對(duì)一切具有食物屬性事物的概括。語(yǔ)言與文字是在具體信號(hào)的基礎(chǔ)上形成的，是具體信號(hào)的信號(hào)，即第二信號(hào)。第二信號(hào)系統(tǒng)是在第一信號(hào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。例如對(duì)”寒冷”一詞的理解，起初只是因?yàn)樵诖笱┘婏w時(shí)，溫度的降低通過(guò)感受器使小孩產(chǎn)生了痛覺(jué)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(zhǎng)與教育，”寒冷”一詞就會(huì)與”冬天”、”冰”、”凍瘡”、”霜”等聯(lián)系在一起。

那么，在虛擬現(xiàn)實(shí)中，人們?yōu)槭裁磿?huì)覺(jué)得寒冷呢，這可以通過(guò)視覺(jué):大雪紛飛的場(chǎng)面出現(xiàn)，也可以通過(guò)寒風(fēng)呼嘯的聽(tīng)覺(jué)，也可以通過(guò)對(duì)皮膚產(chǎn)生一定痛值的刺激達(dá)到。無(wú)論是哪種方法，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，人們對(duì)寒冷的感知必須具備以下條件:

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

(2)對(duì)寒冷誘因如大雪、寒風(fēng)等的直接或間接感知;

(3)對(duì)一定背景的邏輯推斷力:如看到臘梅傲開(kāi)、草地枯黃的場(chǎng)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(hào)的設(shè)立必須是建立在對(duì)人的生理、心理行為的研究基礎(chǔ)之上的。

由此可見(jiàn)，首先，真實(shí)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)都是依賴(lài)于人的神經(jīng)系統(tǒng)的。離開(kāi)了人的生理基礎(chǔ)，討論真實(shí)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)是毫無(wú)意義的。擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)的情形兼有上述兩種情況。其次，擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)是依賴(lài)于真實(shí)現(xiàn)實(shí)的。我們可以在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中實(shí)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(shí)中去實(shí)現(xiàn)它了。在真實(shí)現(xiàn)實(shí)中”有所思”，才能在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中”有所見(jiàn)”。因此，脫離真實(shí)現(xiàn)實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)是不存在。

3

當(dāng)我們考察以間接(視頻)的方式(例如對(duì)不明物體的掃描)獲取的作為知識(shí)形態(tài)的真實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)，就有一個(gè)重要的概念必須予以討論，即知識(shí)世界的范圍(extendofworldknowledge,EWK)。

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

圖3左端表明我們對(duì)所顯示出來(lái)的陌生的視頻世界一無(wú)所知。這個(gè)世界圖像的數(shù)據(jù)是非模型化的，因?yàn)檫@些圖像是通過(guò)對(duì)間接獲得的場(chǎng)景盲目掃描取得的。我們稱(chēng)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(méi)有結(jié)構(gòu)的信息特征，因此非模型化的世界也稱(chēng)作非結(jié)構(gòu)化的世界。這些非模型化的數(shù)據(jù)并沒(méi)有包含圖像內(nèi)容的信息。當(dāng)前絕大多數(shù)遠(yuǎn)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(xiǎn)、軍事調(diào)動(dòng)中，非模型化的世界表明得尤為明顯。

知識(shí)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(gè)完全模型化的世界。只有當(dāng)確切知道某一個(gè)世界中的每一個(gè)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(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，我們才能構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)。

雖然知識(shí)世界的兩端是常見(jiàn)的情形，但是更多的是需要將真實(shí)的物體和虛擬物體融合在一個(gè)視頻畫(huà)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(gè)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(chǎng)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(chǎng)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(chēng)這樣的視頻世界為部分模型化的世界(worldpartiallymodeled)。與此形成對(duì)比的是，在非模型化世界中，我們沒(méi)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(shí)世界范圍間題在擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)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(huà)面疊加到一幅真實(shí)現(xiàn)實(shí)的圖畫(huà)中，技術(shù)上是十分簡(jiǎn)單的