论真实现实、扩展现实和虚拟现实

　　　　论文关镶词:真实现实扩展现实虚拟现实真实虚拟连续统知识世界客观存在
　　论文摘要：本文认为真实现实(realreality)、扩展现实(augmentedreality)和虚拟现实(virtualreality)属于同一系列的概念，它们共同组成了真实——虚拟连续统(reality一virtualitycontinuum).它们是对客观存在的三种不同的认知形态，共同构成了知识世界的范围(extendofworldknowledge).
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　　国内外已有一些关于虚拟现实(VitrualReality)讨论。不同的学者对虚拟现实有着不同的理解和定义。笔者认为虚拟现实是使用计算机所创造的交互式的三维空间效果，在这个三维空间中物体有一种空间存在物的含义。它具有如下几个特征:
　　(1)虚拟现实是使用计算机技术创造的，以区别电子存在和其他的远距离感觉方法;
　　(2)虚拟现实中计算机技术应用所产生的是效果而不是幻觉;
　　(3)交互性:人与程序的交互性;
　　(4)三维世界:以区别文字描述的一维和二维世界;
　　(5)物体有一种空间存在物的含义。
　　虚拟现实是人类利用特定的计算机语言或软件(如OpenGLSDKVRML)，整合一些特殊技术(如信息图形技术(infographictechnology)、人体运动跟踪技术(humanmovementtrackingtechnology)、实时人体运动捕获技术(real一timehumanbodymotioncapturetechnology)等，和特定的输入输出设备，如头盔显示器(headmounteddisplay),数据手套(datagloves)等，开发形成的一个三维人机互动系统。在这个交互系统中，参与者不仅具有参与感，而且具有身临其境的沉浸感。随着虚拟技术的理论和实践的不断发展，这一系统已经达到了以假乱真的境界。
　　虚拟现实完全是由计算机技术所创造的。在虚拟现实系统中，人与真实世界完全处于隔离状态，在虚拟现实中已不存在自然状态的物理时间和空间。人完全被虚拟现实系统所控制。虚拟原义是假，现实含义是真。因此，将这两个术语结合起来，属于典型的矛盾修饰法(oxymoron)。国外的一些学者认为这样的术语不容易让人们接受，所以又将它称为”合成环境(syntheticenvironment)”,”赛博空间(cy-berspace)”,”人造现实(atrificialreality)”,”模拟技术(simulatortechnology)”等。国内在引进这一术语时，有人曾认为虚拟现实易与”客观现实”这一术语相棍淆，故提议译作”灵境”。但是，”虚拟现实”这一术语还是被绝大多数人所接受的。
　　我们在论及虚拟现实时，不少人将虚拟现实与“客观存在”和”客观现实”相提并论。严格的说，客观存在和客观现实是哲学上的概念，与虚拟现实不属同一系列的概念。本文认为虚拟现实与真实现实和扩展现实属于同一系列概念。对它们进行考察时应该注意它们之间的相关性。
　　真实现实有双重含义:一是作为客观存在的真实现实。它们是被人类认知了的客观存在，与人类处于交互作用之中。在此意义上，真实现实是人类赖以生存的基础。二是作为知识形态的真实现实。它们是人类对于客观存在的认知结果。当我们在讨论与扩展现实和虚拟现实相对应的真实现实时，真实现实指的是一种知识形态。作为知识形态的真实现实或者是通过感官认知的方式获得的，或者是以视频窗口方式(如对实景的摄像)获得的。在这两种方式中，前者是直接的，后者是间接的。我们将在本文的第二、三节中分别予以考察。
　　客观存在是一个哲学范畴。它所表达的是不依赖于人类主观意识而独立存在的事物的总和。被人类所感知的客观存在就是客观现实。这也是真实现实的第一层含义。
　　真实现实和虚拟现实是人类对客观存在认知的两个极端形态。处于这两个极端之间的就是扩展现实(augmentedreality)，扩展现实也称为混合现实(mixedreailty)。其实这两者还是略有区别的，我们将在下文中论及。不过扩展现实术语更能反映人类的认知能力和形态，因而更能为人们所接受。除特殊说明外，我们将在等同的意义下使用扩展现实和混合现实。
　　混合现实是由真实现实和虚拟现实共同组成的。例如，真实的环境加上虚拟的物体共同组成一幅(组)画面，在这组画面中我们根本无法区别哪些是真实的，哪些是虚拟的。混合现实又分为两种情形。一种是扩展现实。上面举的例子就是属于扩展现实。另一种是扩展虚拟(augmentedvitruality)。例如，虚拟的环境加上某些真实的物体共同构成扩展虚拟。扩展现实有三个基本特征。
　　(1)真实性:某些环境是人工创造的，因而它是虚拟的。但是在扩展现实中肯定有源于真实现实的部分;
　　(2)非沉浸感:在显示扩展现实中的真实成分和虚拟成分时，均不要求观察者沉浸其中;
　　(3)方位感:真实世界的物体是被感官直接观察到或者通过某些电子综合装置获得的(例如，水下摄像机对不明物体的摄像)。在后一种情况下，方位感成为扩展现实迫切需要解决的问题。
　　真实现实、扩展现实和虚拟现实三者构成了一个真实一虚拟连续统(reality一virtualitycontinuum),它们之间的关系可以用图1表示:


　　扩展现实与虚拟现实的区别是显而易见的。在虚拟现实系统中，人具有沉浸感。视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉部分或全部处于计算机系统控制之中。人失去与真实现实的一切联系。扩展现实则不同，它是将虚拟的物体融合到真实的环境中，或者将真实的物体融合到虚拟的环境中。在扩展现实中，人可以感受到真实世界的存在。当然，扩展现实所展现出来的世界并不完全是真实现实。它们中的虚拟成分是对真实现实的扩展。真实现实受物理法则的支配，而虚拟现实不受物理法则支配。在扩展现实中，如何将真实的部分和虚拟的部分完美无缺地融合在一起，这已成为计算机领域中的热门话题。就其实际应用价值而言，扩展现实远远大于虚拟现实。例如，在人工心脏手术中，可以在计算机上实时捕捉人体胸腔内动态图像，同时将人工心脏作为虚拟物体加进动态图像中，进行虚拟物体与真实环境的匹配。再如，扩展现实在体内肿瘤的诊断中也有广泛的应用。扩展虚拟在文物保护中可以起到重要的作用。一座孤零零的古代建筑(真实物体)可以放在一个虚拟的环境中，从而确定保护文物的最佳环境。除了医学、文物保护之外，扩展现实在建筑装修、军事侦察、宇宙空间探索等领域应用也极为广泛。
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　　当我们考察以直接的方式(例如感官的认知)获取的作为知识形态的真实现实时，我们认为，真实现实、扩展现实和虚拟现实有着相同的认知生理基础。
　　我们都知道神经系统是人类进行意识活动的基础。神经调节的基本方式是反射(relfex)，即在中枢神经系统的控制下，机体对内外环境变化的刺激所发生的有适应性的反应。反射活动的结构基础是反射弧(relfexArc)，它由五部分构成，即:感受器、传入神经、神经中枢、传出神经和效应器。反射弧的路径如图2所示: