VR,AR,MR | 虚拟和现实的盛宴

这几年,和建筑业相关的IT技术除了BIM,最火的就是虚拟现实了。后来又蹦出来什么增强现实、混合现实,你有没有被搞迷糊呢?

今天,BOX来给你说一说,这些「某某现实」都是些什么东西,有什么来历,和建筑业有什么关系,以及它们目前的产业状况。

 

        V  R 

首先来说说虚拟现实,Virtual Reality

简单理解,VR就是把虚拟的世界呈现在你眼前。目前人们约定俗成的,是把那种戴着头盔的,有沉浸感的,无边框的虚拟世界,称为虚拟现实。

在很多的BIM论坛中都有VR这么个板块,但大多数都属于「假VR」,也就是不属于这种约定俗成的VR。

这种假VR分这么几个层次:

第一种,就是用BIM模型渲染成一段视频,为了提升效果可以在很大的屏幕上播放,但无论渲染的有多炫酷,这都属于普通的渲染视频,最多可以叫虚拟漫游;

第二种,是把渲染的图像或者视频放在手机里,随着手机的移动和转动,图像也会跟着动;如果你把手机套在一个售价两三百块钱的VR眼镜上,图像就会随着你的头部旋转而改变角度。

这种技术很接近VR,但它有自己的名字,叫全景图像或者全景视频。它和VR最大的区别就是沉浸感,你把它套在眼前,最好的效果也就是在影院观看巨幕电影的感觉,远远没有「我在这个场景里」的沉浸感。

造成沉浸感的区别有三个原因:

 一是图像分辨率太低,骗不过眼睛;

二是有明显的图像边界,就是手机屏幕的边界;

三是没有双眼单独运算产生的纵深感,你看到的只是一副展开在眼前的巨大球面图像而已。

建筑业用到的VR技术,大多是用游戏引擎把建筑场景的三维模型进行渲染,然后单独导出成VR视频或者VR程序,再使用专门的硬件设备来观看。

三维模型不一定要用BIM模型,用3DMAX,Sketchup建模都可以。只不过这些软件属于效果图人员和建筑设计师才能掌握的,而BIM让更多的人有了建筑建模的能力,所以才会让VR在建筑业大面积的爆发。

硬件方面,目前市面上VR头盔设备不多,最主流的是Oculus RiftHTC Vive

在这两种设备上投射的VR影像,和咱们刚说的「假VR」最大的区别,就是沉浸感。戴上头盔,你会完全进入那个虚拟的场景中。

要做到这一点就得骗过我们的眼睛,这其实还是挺难的——最重要的是清晰度得够。

VR头盔的显示屏离人眼很近,单张图像最低分辨率宽度至少要达到1080像素,才能将就看;要产生立体纵深感,左右眼渲染的图像得不一样,乘以二就是2160像素。

这还只是视野范围内的图像,你要是一转头,视野边界外的图像也得渲染进来,范围至少要扩大到3024X1680像素。VR眼镜保证不晕的最低刷新率要求是每秒90帧,这么一算每秒的运算量就得达到4.5亿像素。

如果开两倍的抗锯齿,就得达到每秒9亿像素。

目前最好的民用显卡,也就刚刚满足这个数量级的运算量。

这带来的问题就是,想买一套像样的VR设备,投资会比较高,目前一套头盔加上配置足够的电脑,至少需要2万块钱。

而要让图像更清晰,以至于完全看不出来像素点,图像分辨率还得长宽各乘以3,那就多了9倍的运算量,目前最好的显卡也达不到。

伴随而来的就是数据的传输问题,这么大的数据量,目前的无线网络传输速度是远远达不到的,所以无论是哪家的头盔,都要拖着长长的数据线。

当然你会说,建筑业不像游戏业,不需要那么真实炫酷的体验,运算量低点,分辨率粗糙点也没关系。

确实如此,即便是比较粗糙的VR技术,带来的沉浸感,也足够用户对建筑进行空间体验,这也是为什么VR在游戏业成长放缓,而在建筑业却不断升温的原因。

咱们这个行业吧,对科技确实是更能凑合一些。

不过话说回来,低分辨率带来的不适感也确实存在,VR设备本来就会让人产生晕动症——也就是图像变了,身体没动,大脑就会本能的产生眩晕,而更低的分辨率则会加剧这种眩晕感。

图像运算和数据传输这两点技术障碍,会随着硬件的迭代更新而得到解决,目前VR的发展进入了瓶颈,但未来更快、更小的移动显卡,和5G网络技术的到来,都会让VR再度迎来爆发期。

        A  R 

下面咱们说说增强现实,Augmented Reality

很多人把增强现实理解为「效果更好的虚拟现实」,这完全是错的。它并不是虚拟现实的升级版,这两者诞生和发展也是完全独立的。

增强现实技术就是字面上的意思,用虚拟的东西把现实增强。

咱们举两个例子。

2016年,日本任天堂公司推出了一款风靡全球的手机游戏,叫 pokemon go

玩这个游戏的时候,你举起手机打开摄像头,就可以在真实的环境中发现宠物小精灵,可以抓捕它们或者进行战斗。这些小精灵不是简单的显示在画面里,而是会根据现实场景来改变它们的位置。

下一个例子更加常见,就是目前市场上流行的一些增强拍摄的相机app,比如激萌相机,它可以识别相机中的人物,给人像加上兔子耳朵啊,红脸蛋啊这些东西,还能跟着人脸运动,这也是典型的AR技术。

和虚拟现实做个对比,VR就是创造一个完全取代现实的世界,让人感觉「我怎么在这里?」,AR则是在现实世界的图像中叠加一些东西,让人感觉「哎?这里多了个本来不存在的东西」。

从技术层面来说,增强现实和虚拟现实的差别很大。

虚拟现实的核心技术基本都集中在计算机图形领域,需要解决的是图像运算问题,和硬件设备性能的问题。

而增强现实的核心技术在环境识别领域,也就是程序怎么知道摄像头正在拍摄的东西是一张人脸还是一棵树,此外还需要一套算法来把虚拟的物体显示在该呆的地方。

在算法功能上,增强现实比虚拟现实要难,但反过来对于硬件的需求反倒比虚拟现实要低。因为它只需要运算虚拟部分的物体,而不需要进行整个场景的渲染。

咱们说说AR在建筑业的应用,以及它跟BIM的关系。

一种比较有价值的应用是连接BIM模型与实际现场

比如项目的土建已经施工完成,在安装机电设备的过程中,用移动设备观看现场,可以把未来需要安装的机电设备模型投射到画面中,指导现场施工,还可以随时观看施工进展是否符合BIM设计。

再比如改造项目,可以用手机来扫描现场,AR程序能通过投射的方式给你一双「透视眼」,看到地下和墙壁后面的管道,来进行精确的开挖。当然这些投射的模型是BIM提供的。

第二种是对模型信息的投射

AR可以投射的不仅是图形,文字和表格信息也不在话下。

它所依赖的设备也不仅仅是手机或者掌上电脑,像微软的Hololens、国产的meta 这样的增强现实眼镜,都是专门为AR技术开发的设备。

这类头显设备都带有前置传感器,可以识别场景和穿戴者的手势,也可以通过编写程序,把施工现场的工序做法、施工问题、构建属性等信息投射到眼前,不仅可以用于施工阶段,还可以用于后期运维。

在这类应用中,BIM模型中的信息就为AR程序的编写提供了有力的支持。

需要知道的是,这些硬件产品虽然已经逐步进入商业市场,但应用层面还不是很成熟。比如对空间的识别精度不够,对遮挡物的处理能力不足等问题。

不过随着硬件的计算能力和软件的更新迭代,这些问题都将逐渐得到解决。

你可能还见过一种AR的应用场景,就是用摄像头对着一张平面图纸,可以在显示器上看到图纸中的建筑变成了3D,还能随着图纸的位置变化进行旋转。

虽然看起来比较炫酷,但除了带来感官上的新意,实际生产力可能还比不上一段普通的施工模拟动画。

你可别觉得这是建筑业中才有的黑科技,实际上这种小品级的技术很普遍,不信你在淘宝搜索「儿童AR动物卡片」,几十块钱就能享受类似的AR技术,还包邮哦。

        M  R   

最后咱们来说说混合现实, Mixed Reality

MR的概念最早进入大众的视野,是一段网上疯传的视频,叫做「谷歌黑科技全息投影裸眼3D」,展示了一只鲸鱼的全息影像投射在体育馆里的情景。

视频来自于谷歌投资的Magic Leap,这家公司把它的技术定义为混合现实。在它出现后不久,前面说到的微软Hololens也把自己从增强现实设备改名为混合现实设备。

后来,这段视频被证明只是Magic Leap的概念宣传,它的技术也根本不是国内理解的全息投影裸眼3D,而是需要佩戴相应的设备才能实现。

从这段视频中的鲸鱼身上,你能看出混合现实和增强现实的区别吗?

咱们先换一个你更熟知的公司,来说明混合现实。

2017年6月6日,苹果公司召开了全球开发者大会,推出了新的增强现实平台,名叫 ARkit

大会上展示的内容也比较简单明了,就是你用苹果手机的对准一张什么都没有的桌子,到了手机里却会现实桌子上多了茶杯和台灯等物体。

很多人觉得这跟增强现实相机没区别嘛,苹果自己也是低调的把这个技术称作增强现实。

但是会后却有人评价,苹果将开启混合现实技术的新时代,这是为什么呢?

原来是有细心人发现,在苹果的增强现实程序里,桌子上虚拟的茶杯和台灯,都是有投影的,而且当你移动这些虚拟物品的时候,它们的投影也会随之改变方向。

这就要求程序把摄像头中的桌面进行三维建模计算,才能知道画面中哪个地方是桌面,角度是多少,怎样投影才是正确的。

再反观一般的增强现实程序,都做不到「虚拟物品在真实物品上投影」。

咱们再回来看看那个体育馆里飞起鲸鱼的视频,你会注意到,鲸鱼飞行的轨迹,和它溅起的浪花,在体育馆这个场景里是由远至近三维展示的,而不是简单的覆盖在现实图像之上;鲸鱼在沉入水底的时候也是准确的在地面的位置沉下去,而不是在半空中消失;最重要的是,在视频的最后,鲸鱼还会被离镜头最近的现场观众遮挡。

如果只是把画面投射在图像的最顶层,是绝做不到这一点的。

咱们通过这张图来说清楚VR、AR和MR的区别。

虚拟现实VR,是创造了一整个虚拟世界,把你和现实世界隔离开。核心问题是图形计算和沉浸感。

增强现实AR,是把虚拟事物叠加到现实世界图像的最顶层。核心问题是图像识别和跟踪。

混合现实MR,是把虚拟物体和现实物体都进行再次计算,把它们混合到一起,难分彼此。核心问题是对现实世界的3D扫描,以及远近空间的感知。

再举一个例子你就更明白了:

如果AR技术显示墙上有一个钟表,你肯定是能分辨出那是设备投射出来的;而通过MR系统投射的虚拟钟表,无论你怎么动,它都会待在固定的位置,随着你的旋转可以看到它不同的角度,还会投射影子到墙上,就好像那里本来就有一个真正的钟表一样。

MR技术所需要解决的技术问题比前两种技术更多,难度更高;要达成「让人区分不出虚拟和现实」的境界,它需要的计算量比VR技术也要高得多。

目前混合现实还没有成熟推向市场的硬件设备,软件应用也是在理论阶段。具体到建筑行业,成熟的应用就更没有了。

如果过一阵子AR不那么火了,建筑业又有人站出来和你说,他正在成熟的运用MR技术,那八成是来忽悠你的。

不过事情可能会有转机,刚刚咱们之所以说,苹果公司开启了混合现实技术的新时代,恰恰是因为它推出的ARkit,很可能让技术发展跳过AR时代,直接进入MR时代。

一是因为苹果将底层技术的开发全部包揽,全球的开发者不需要从零开始进行MR技术的开发,只要在IOS平台开发产品级的应用就可以了;

二是苹果公司庞大的用户和开发者群体,将会让MR应用的开发进程以指数级的速度产生飞跃。

另外,擅长发明黑科技的索尼公司发布的手机 XZ1,就配备了混合现实所需要3D扫描的技术,可以通过手机摄像头直接给物体进行三维建模。

当然,目前手机上的混合现实应用还远达不到「以假乱真」的地步,但在一些专业领域,比如工业和建筑业,不像游戏业那样对仿真度有那么高的需求,只要能解决问题,一些画面相对粗糙的MR应用就会给行业带来很大的价值,也不需要像VR领域那样需要等待下一轮硬件革命的到来。

所以有人预测,专业领域的混合现实技术即将进入一个飞速发展期,抢在虚拟现实技术之前达到普及。关于这一点,我们拭目以待。

最后开开想说的是,今天聊的这几项技术,每一项都会给各个行业带来非常广阔的商业市场,建筑业是这个市场的一小块,BIM只是在这个细分市场里为它们提供底层数据的工具。相比之下,它们确实不在一个量级上。

不过对于工程建筑行业的人来说,离这些尖端技术最近的领域,也确实就是BIM了,在未来,能够找到BIM与它们的结合点的人,无疑将会是行业内不可多得的人才。

这片广阔的天地,也许就留给此刻的你呢!

好了,今天的内容希望能给你一些参考,有态度,有深度,BIMBOX,咱们下次见!

 

 

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