增強現實空間關系及其關鍵技術探討
來源:用戶上傳
作者:王凌云, 陳亮
摘要：增強現實技術打開了物理空間和虛擬空間交互的大門，具有一定發展潛力，為大眾帶來深度沉浸式體驗。作為賽博空間的衍生品，增強現實技術的出現，催生出新型空間認知方式，具有點集、線集、面集空間社會交互關系。分析構建增強現實空間視覺處理、視覺增強、視覺推理、多維度交互以及認知修正等關鍵技術。增強現實空間帶來了開放、新奇的交互體驗，但也存在不足，需要進一步探索。本文以增強現實空間為引，探討其概念與內涵、空間關系、關鍵技術以及應用價值等。
關鍵詞：增強現實； 賽博空間； 空間認知； 空間關系 ；關鍵技術
中圖分類號：TP37 文獻標識碼：A
文章編號：1009-3044（2021）32-0097-03
1 概述
計算機技術飛速發展讓世界萬物的空間展現方式和環境發生質的變化，人們不再局限于現實世界物體展現方式，而是希望在物理世界與虛擬世界的萬物進行交互，從而獲得更具新奇、開放、生動的感官體驗，增強現實技術即可滿足上述需求。增強現實技術是一種展現空間的增強方式，不僅可以改變物理空間環境、物體的展現方式，還可以全新、深度地傳遞感官體驗。將增強現實技術與空間概念結合是本文探討重點問題，以期以互聯網思維、賽博空間概念實現增強現實創造空間模式的創新化和多元化。
2 增強現實空間的概念與內涵
增強現實技術借助物理設備和新型媒介增強人們對世界的認識，主要存在物理與虛擬兩個空間。物理空間即真實存在的世界，虛擬空間即虛擬信息，以附加文字、圖像、模型等為存在形式進行空間模擬和展現，為物理空間添加一層或多層信息。賽博空間由龐大信息數據幾何體構建而成，是物理空間的一種虛擬重構，是基于計算機網絡組成的交流空間[1]。利用視、聽、觸等多維反饋信息增強人們對事物的理解，增強現實空間表達方式重點在于人們感知和理解的一致性，讓物理實體和虛擬信息共存于一個空間中，可以視作賽博空間理論衍生品。基于賽博空間的增強現實空間并不再是簡單的歐幾里得空間理論衍生品，而是人工構建的關系空間。用戶在增強現實空間中，面對“距離”“方向”等空間信息還存在認知，即是說，增強現實構建的空間應該是一種“類真實空間”[2]。如圖1所示，存在物理空間和虛擬空間、實體用戶和虛擬角色之間的多層虛擬嵌套關系。
3 物理空間與虛擬空間的關系
物理與虛擬空間交流的橋梁關鍵在于交互，目前的交互正在經歷從“全面虛擬”到“虛實結合”的發展[3]。交互設備從頭盔式發展到智能一體機。一個典型的增強現實交互流程中，交互對象大致分為用戶、環境、設備、虛擬對象四類，不同交互對象空間交互模式不同，用戶通過選擇恰當交互方式進行交互，例如手勢、語音、手柄等。在增強現實世界里，以物理空間為主體、虛擬空間疊加，物理空間與虛擬空間是互相聯系的關系，二者同等重要。從賽博空間視角分析，物理空間與虛擬空間的關系，是多層次、多階段的復雜動態關系[4]。從空間度量來看，如圖2所示，可以分類為點、線、面三種關系。
3.1 點集關系
傳統人與人的信息共享是通過手機、電視、互聯網等傳播技術實現，地域性是特點之一，由于實體空間地域限制，用戶往往被動接受信息。而增強現實的出現，使得地域型實體空間逐漸分離，人與人之間的關系和信息共享方式實現重組，從地域型人際關系變為興趣型或者利益型人際關系，從被動共享信息到主動共享信息。根據選擇，用戶可以在增強現實創造的虛擬世界里根據共同愛好或個人利益進行社交，忽略淡薄物理空間的社交關系。此外，目前增強現實應用及設備多半是通過掃描視線范圍內的地理環境位置信息來工作的，應用場景有限，以上增強現實空間會形成新型線上線下的點集關系。
3.2 線集關系
互聯網帶來的信息共享是平等快速的。基于互聯網的增強現實空間形成的新型個人社交必然會促進互聯網跨地域信息傳播，加強各個地域之間的聯系，而且這個過程是動態的、復雜的。例如，互聯網形成的關系因為地域之間的經濟水平會明顯存在差異性，經濟水平較高的地區享受更好的網絡傳輸速度和設備，支持人們參與各種線上活動，代替原本的線下教育、資源共享等需求，而偏遠落后地區由于無法提供客觀硬件條件上的服務，無法普及增強現實應用，人們上活動受阻，因此地域之間形成地域壟斷的復雜線集關系。
3.3 面集關系
即便存在復雜的人機關系、地域關系和經濟差異，人與人之間、城市與城市之間、國家與國家之間的聯系無可厚非逐步顯現為全球化。人們往往會向發展中心移動，增強現實世界里，完善的網絡設備、豐富的文娛生活、多樣的城市空間往往會成為發展中心，導致偏遠地區線上空間的信息、資金、人員等聯系減弱，而發展中心的互動增強，在增強現實空間中即可構造類似于全球城市的存在，以此形成多樣化的面集關系。
4 構建增強現實空間的關鍵技術
增強現實空間旨在對各自的應用空間場景進行增強。一方面通過可視化技術和視覺增強技術將高維度信息直觀展示，增強用戶信息感知度和理解度。另一方面，通過視覺推理技術增強用戶對事件的決策能力，最后通過交互技術，修正用戶認知偏差。
4.1 可視化增強
人具有感知數據的能力，即視覺注意，作用在于快速選擇最重要也是最相關信息，但有用信息無法通過人類肉眼從高維度信息直接提取，需要通過可視化技術進行自適應視覺分析和數據挖掘實現增強現實空間可視化，彌補人與高維數據之間的鴻溝。集合云計算、深度學習的視覺增強技術可以實時視頻、建模，將各類信息轉化為對真實環境的感知，用戶可以同時感受物理空間和虛擬空間，有較好的多維感知體驗。
4.2 視覺推理
在增強現實空間中，物理空間和虛擬空間之間的交互以及用戶與場景之間的交互方式、順序和效果都是挑戰性的。利用神經網絡以及語義分析技術對高維度信息進行分析、推理、決策，將高層次的分析任務轉換成低水平的視覺認知，實現輔助用戶處理多種數據并進行推理。
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4.3 交互評估
利用人機交互技術和認知評估技術集成多機學習、構建人類決策模型，提供交互學習模塊，是自主適用環境變化和挖掘情報的實際需要。在現有增強現實空間中，數據具有不完備性、不確定性以及復雜性，會影響用戶做出最佳決策。因此，需要在邏輯判斷基礎上，不斷發展人機認知推理，感情互動以及輔助性決策，有助于自適應地增強用戶智能，是今后的發展方向。
5 增強現實空間的應用與價值
在信息技術高速發展的今天，大眾接收信息的平臺，思考問題的方式以及理念在不斷改變，信息展示空間的設計也在日漸變化[5]。網絡游戲雖然仍然是增強現實空間的主戰場，用戶通過增強現實設備置身于虛擬化、場景化、沉浸式的游戲氛圍中，帶來了物理空間和虛擬空間不一樣的交互體驗。然而不可否認，增強現實技術催生的“虛實結合”的空間泛化性、構想性、交互性強，發展潛力大，世界各國均將其作為數字經濟重點發展方向之一。目前增強現實技術在軍事、醫療、娛樂、教育、工業、考古等領域都有很多新型的產品和應用，但增強現實設備在佩戴上以及視覺舒適度上等方面還有待進一步提高體驗感，具有一定戰略意義和應用價值。
5.1 信息展示領域
信息展示一直是信息時代亟待解決的核心問題，無論是智慧城市的建造、軍事基地的打造，醫療過程的預演和展示等，都包含了大量的可視化信息在內。用戶往往希望從各個方面獲得更多更有價值的專業知識信息、但因為個人時間、精力想象力等主觀因素以及設備、地域、展示等方式客觀因素的局限性，可獲得的有用信息寥寥無幾，導致很多專業性知識未能在社會中傳遞信息和價值。增強現實技術打造的空間能很好改善上述問題。增強現實空間中創造的文字、圖像、3D模型清晰、有序、具體地呈現各種類型的豐富知識，極大程度上簡化大眾對知識的獲取和認知，還為大眾打造提供一個簡單化的、共享的、動態的、多維的、靈活的、舒適的展示方式，充分激發用戶瀏覽信息的興趣和學習的自主性。
5.2 體驗交互領域
從用戶體驗感出發，營造一種交互的、雙向的、有效溝通的交互方式以及人性化、科技化、增強化的空間體驗是增強現實技術發展的主要趨勢。針對不同場景、不同情況有不同的空間交互設計模式，與特定設備結合會產生更好的展示和交互效果，為用戶提供不同尋常的空間。從簡單的鼠標鍵盤交互到觸摸屏的多點觸摸，通過自然的手勢交互實現虛擬對象的創建和操作。除此之外，利用語音識別技術進行指令交互，利用人臉識別實現數據解鎖，利用可穿戴設備獲取用戶肌肉、手指、臉部信息完成數據的傳輸和交互，利用移動互聯網云將數百萬的增強現實個人、社區空間連接形成增強認知空間。增強現實空間弱化交互過程產生的認知負擔，讓用戶在有限時間里和共享空間中能更輕松自然地進行交互、交流，實現用戶從單向的、被動地參與到雙向的、主動的交互，從單一的視覺體驗到多維的感官刺激，知識傳播效率提高，物理空間和虛擬空間關系變得更加緊密。
6 結論
增強現實技術涉及應用領域廣泛，技術與藝術完美組合。增強現實空間實質是互聯網空間隨著計算、通信以及顯示技術的快速提升而發展到一定階段的必然產物。本文針對增強現實空間內涵和空間關系進行了探討，基于賽博空間定義構造的增強現實空間關系豐富且復雜，指出增強現實空間交互帶來的效應與挑戰是影響增強現實普及應用的主要因素。未來，在人工智能、大數據、5G等新興技術的支撐下，增強現實空間必然會承載更多用戶與交互，提供更加完善的技術和仿真的體驗。增強顯示技術在致力于空間交互感的升級和技術創新的同時，還要更進一步打破物理空間和虛擬空間的隔閡，改變人類認知方式和思維方式。
參考文獻：
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[3] 王安然.增現實（AR）技術環境下真實與虛擬關系的實在性分析[J].自然辯證法通訊，2021，43（4）：40-46.
[4] 袁慶曙，王若楠，潘志庚，等.空間增強現實中的人機交互技術綜述[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2021，33（3）：321-332.
[5] 葉帥男，儲向童，巫英才.沉浸式可視化綜述[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2021，33（4）：497-507.
【通聯編輯：唐一東】
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