增强现实空间关系及其关键技术探讨
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作者:王凌云, 陈亮
摘要：增强现实技术打开了物理空间和虚拟空间交互的大门，具有一定发展潜力，为大众带来深度沉浸式体验。作为赛博空间的衍生品，增强现实技术的出现，催生出新型空间认知方式，具有点集、线集、面集空间社会交互关系。分析构建增强现实空间视觉处理、视觉增强、视觉推理、多维度交互以及认知修正等关键技术。增强现实空间带来了开放、新奇的交互体验，但也存在不足，需要进一步探索。本文以增强现实空间为引，探讨其概念与内涵、空间关系、关键技术以及应用价值等。
关键词：增强现实； 赛博空间； 空间认知； 空间关系 ；关键技术
中图分类号：TP37 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）32-0097-03
1 概述
计算机技术飞速发展让世界万物的空间展现方式和环境发生质的变化，人们不再局限于现实世界物体展现方式，而是希望在物理世界与虚拟世界的万物进行交互，从而获得更具新奇、开放、生动的感官体验，增强现实技术即可满足上述需求。增强现实技术是一种展现空间的增强方式，不仅可以改变物理空间环境、物体的展现方式，还可以全新、深度地传递感官体验。将增强现实技术与空间概念结合是本文探讨重点问题，以期以互联网思维、赛博空间概念实现增强现实创造空间模式的创新化和多元化。
2 增强现实空间的概念与内涵
增强现实技术借助物理设备和新型媒介增强人们对世界的认识，主要存在物理与虚拟两个空间。物理空间即真实存在的世界，虚拟空间即虚拟信息，以附加文字、图像、模型等为存在形式进行空间模拟和展现，为物理空间添加一层或多层信息。赛博空间由庞大信息数据几何体构建而成，是物理空间的一种虚拟重构，是基于计算机网络组成的交流空间[1]。利用视、听、触等多维反馈信息增强人们对事物的理解，增强现实空间表达方式重点在于人们感知和理解的一致性，让物理实体和虚拟信息共存于一个空间中，可以视作赛博空间理论衍生品。基于赛博空间的增强现实空间并不再是简单的欧几里得空间理论衍生品，而是人工构建的关系空间。用户在增强现实空间中，面对“距离”“方向”等空间信息还存在认知，即是说，增强现实构建的空间应该是一种“类真实空间”[2]。如图1所示，存在物理空间和虚拟空间、实体用户和虚拟角色之间的多层虚拟嵌套关系。
3 物理空间与虚拟空间的关系
物理与虚拟空间交流的桥梁关键在于交互，目前的交互正在经历从“全面虚拟”到“虚实结合”的发展[3]。交互设备从头盔式发展到智能一体机。一个典型的增强现实交互流程中，交互对象大致分为用户、环境、设备、虚拟对象四类，不同交互对象空间交互模式不同，用户通过选择恰当交互方式进行交互，例如手势、语音、手柄等。在增强现实世界里，以物理空间为主体、虚拟空间叠加，物理空间与虚拟空间是互相联系的关系，二者同等重要。从赛博空间视角分析，物理空间与虚拟空间的关系，是多层次、多阶段的复杂动态关系[4]。从空间度量来看，如图2所示，可以分类为点、线、面三种关系。
3.1 点集关系
传统人与人的信息共享是通过手机、电视、互联网等传播技术实现，地域性是特点之一，由于实体空间地域限制，用户往往被动接受信息。而增强现实的出现，使得地域型实体空间逐渐分离，人与人之间的关系和信息共享方式实现重组，从地域型人际关系变为兴趣型或者利益型人际关系，从被动共享信息到主动共享信息。根据选择，用户可以在增强现实创造的虚拟世界里根据共同爱好或个人利益进行社交，忽略淡薄物理空间的社交关系。此外，目前增强现实应用及设备多半是通过扫描视线范围内的地理环境位置信息来工作的，应用场景有限，以上增强现实空间会形成新型线上线下的点集关系。
3.2 线集关系
互联网带来的信息共享是平等快速的。基于互联网的增强现实空间形成的新型个人社交必然会促进互联网跨地域信息传播，加强各个地域之间的联系，而且这个过程是动态的、复杂的。例如，互联网形成的关系因为地域之间的经济水平会明显存在差异性，经济水平较高的地区享受更好的网络传输速度和设备，支持人们参与各种线上活动，代替原本的线下教育、资源共享等需求，而偏远落后地区由于无法提供客观硬件条件上的服务，无法普及增强现实应用，人们上活动受阻，因此地域之间形成地域垄断的复杂线集关系。
3.3 面集关系
即便存在复杂的人机关系、地域关系和经济差异，人与人之间、城市与城市之间、国家与国家之间的联系无可厚非逐步显现为全球化。人们往往会向发展中心移动，增强现实世界里，完善的网络设备、丰富的文娱生活、多样的城市空间往往会成为发展中心，导致偏远地区线上空间的信息、资金、人员等联系减弱，而发展中心的互动增强，在增强现实空间中即可构造类似于全球城市的存在，以此形成多样化的面集关系。
4 构建增强现实空间的关键技术
增强现实空间旨在对各自的应用空间场景进行增强。一方面通过可视化技术和视觉增强技术将高维度信息直观展示，增强用户信息感知度和理解度。另一方面，通过视觉推理技术增强用户对事件的决策能力，最后通过交互技术，修正用户认知偏差。
4.1 可视化增强
人具有感知数据的能力，即视觉注意，作用在于快速选择最重要也是最相关信息，但有用信息无法通过人类肉眼从高维度信息直接提取，需要通过可视化技术进行自适应视觉分析和数据挖掘实现增强现实空间可视化，弥补人与高维数据之间的鸿沟。集合云计算、深度学习的视觉增强技术可以实时视频、建模，将各类信息转化为对真实环境的感知，用户可以同时感受物理空间和虚拟空间，有较好的多维感知体验。
4.2 视觉推理
在增强现实空间中，物理空间和虚拟空间之间的交互以及用户与场景之间的交互方式、顺序和效果都是挑战性的。利用神经网络以及语义分析技术对高维度信息进行分析、推理、决策，将高层次的分析任务转换成低水平的视觉认知，实现辅助用户处理多种数据并进行推理。
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4.3 交互评估
利用人机交互技术和认知评估技术集成多机学习、构建人类决策模型，提供交互学习模块，是自主适用环境变化和挖掘情报的实际需要。在现有增强现实空间中，数据具有不完备性、不确定性以及复杂性，会影响用户做出最佳决策。因此，需要在逻辑判断基础上，不断发展人机认知推理，感情互动以及辅助性决策，有助于自适应地增强用户智能，是今后的发展方向。
5 增强现实空间的应用与价值
在信息技术高速发展的今天，大众接收信息的平台，思考问题的方式以及理念在不断改变，信息展示空间的设计也在日渐变化[5]。网络游戏虽然仍然是增强现实空间的主战场，用户通过增强现实设备置身于虚拟化、场景化、沉浸式的游戏氛围中，带来了物理空间和虚拟空间不一样的交互体验。然而不可否认，增强现实技术催生的“虚实结合”的空间泛化性、构想性、交互性强，发展潜力大，世界各国均将其作为数字经济重点发展方向之一。目前增强现实技术在军事、医疗、娱乐、教育、工业、考古等领域都有很多新型的产品和应用，但增强现实设备在佩戴上以及视觉舒适度上等方面还有待进一步提高体验感，具有一定战略意义和应用价值。
5.1 信息展示领域
信息展示一直是信息时代亟待解决的核心问题，无论是智慧城市的建造、军事基地的打造，医疗过程的预演和展示等，都包含了大量的可视化信息在内。用户往往希望从各个方面获得更多更有价值的专业知识信息、但因为个人时间、精力想象力等主观因素以及设备、地域、展示等方式客观因素的局限性，可获得的有用信息寥寥无几，导致很多专业性知识未能在社会中传递信息和价值。增强现实技术打造的空间能很好改善上述问题。增强现实空间中创造的文字、图像、3D模型清晰、有序、具体地呈现各种类型的丰富知识，极大程度上简化大众对知识的获取和认知，还为大众打造提供一个简单化的、共享的、动态的、多维的、灵活的、舒适的展示方式，充分激发用户浏览信息的兴趣和学习的自主性。
5.2 体验交互领域
从用户体验感出发，营造一种交互的、双向的、有效沟通的交互方式以及人性化、科技化、增强化的空间体验是增强现实技术发展的主要趋势。针对不同场景、不同情况有不同的空间交互设计模式，与特定设备结合会产生更好的展示和交互效果，为用户提供不同寻常的空间。从简单的鼠标键盘交互到触摸屏的多点触摸，通过自然的手势交互实现虚拟对象的创建和操作。除此之外，利用语音识别技术进行指令交互，利用人脸识别实现数据解锁，利用可穿戴设备获取用户肌肉、手指、脸部信息完成数据的传输和交互，利用移动互联网云将数百万的增强现实个人、社区空间连接形成增强认知空间。增强现实空间弱化交互过程产生的认知负担，让用户在有限时间里和共享空间中能更轻松自然地进行交互、交流，实现用户从单向的、被动地参与到双向的、主动的交互，从单一的视觉体验到多维的感官刺激，知识传播效率提高，物理空间和虚拟空间关系变得更加紧密。
6 结论
增强现实技术涉及应用领域广泛，技术与艺术完美组合。增强现实空间实质是互联网空间随着计算、通信以及显示技术的快速提升而发展到一定阶段的必然产物。本文针对增强现实空间内涵和空间关系进行了探讨，基于赛博空间定义构造的增强现实空间关系丰富且复杂，指出增强现实空间交互带来的效应与挑战是影响增强现实普及应用的主要因素。未来，在人工智能、大数据、5G等新兴技术的支撑下，增强现实空间必然会承载更多用户与交互，提供更加完善的技术和仿真的体验。增强显示技术在致力于空间交互感的升级和技术创新的同时，还要更进一步打破物理空间和虚拟空间的隔阂，改变人类认知方式和思维方式。
参考文献：
[1] 费安翔，徐岱.赛博空间概念的三个基本要素及其与现实的关系[J].西南大学学报（社会科学版），2015，41（2）：111-119，191.
[2] 周未，解文彬，李磊.赛博空间安全框架设计及风险评估方法[J].计算机工程与应用，2016，52（18）：122-126.
[3] 王安然.增现实（AR）技术环境下真实与虚拟关系的实在性分析[J].自然辩证法通讯，2021，43（4）：40-46.
[4] 袁庆曙，王若楠，潘志庚，等.空间增强现实中的人机交互技术综述[J].计算机辅助设计与图形学学报，2021，33（3）：321-332.
[5] 叶帅男，储向童，巫英才.沉浸式可视化综述[J].计算机辅助设计与图形学学报，2021，33（4）：497-507.
【通联编辑：唐一东】
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