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VR技术是什么原因?

ぴ夏末ζ烟雨﹌

我唯一能做的只是坐在长椅上装坚强,可是一个人的时候怎么也掩饰不了那悲伤。

  戴上一副眼镜连接电脑或手机你就能进入一个全新的虚拟世界这种类似科幻电影《黑客帝国》里的场景正在我们身边发生而让这一切实现的技术就是最近火得不行的虚拟现实也就是许多人口中的VR(Virtual Reality)

什么是VR

虚拟现实(Virtual Reality简称VR)即利用计算机发展中的高科技手段构造出一个虚拟的境界使参与者获得与现实一样的感觉

举一个例子当你戴上特制的头盔与手套后会发现你已置身于一个不受时空限制的历史的博物馆中当你向前行走或者转头时你所看见的景象也会随之改变你可穿过大厅推开前面的大门当你看见一件精美的展品时你甚至可以上上下下里里外外仔细地观摩这就是虚拟现实技术带来的真实感觉

VR技术是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界提供使用者关于视觉听觉触觉等感官的模拟让使用者如同身历其境一般可以及时没有限制地观察三度空间内的事物

使用者进行位置移动时电脑可以立即进行复杂的运算将精确的3D世界影像传回产生临场感虚拟现实(VR)看到的场景和人物全是假的是把人的意识代入一个虚拟的世界

VR像做梦看到的场景和人物全是假的是把你的意识代入一个虚拟的世界简单的来说就是你看到的东西都是假的但是你的感觉是真实的它就会给你一种身临其境的感受

VR技术原理

人们在看周围的世界时由于两只眼睛的位置不同得到的图像略有不同这种差别能让我们感知到深度让事物看起来立体VR技术也是利用这种视觉差别替我们的双眼安排不同的画面从而让我们感觉到画面的立体性与3D电影不同VR强调的是360度全景交互不仅有强烈的沉浸感和立体感更重要的是允许用户和虚拟世界进行交互

在人造环境中每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置而用户也是如此用户看到的景象是由用户的位置和头(眼)的方向来确定的跟踪头部运动的虚拟现实头套可以感知我们的头部动作

这样当我们在移动时虚拟世界中的我们就能同样的移动当我们向左看虚拟现实头套可以识别这一动作这时硬件会及时渲染出左边的场景如此当我们往左看时就能看到左边的场景往右看时就能看到右边的场景避免了场景不跟随我们目光移动的意外

VR技术前世今生

1956年Sensorama

1956 年摄影师Morton Heilig发明了Sensorama一款集成体感装置的3D互动终端它集成3D显示器立体声音箱气味发生器以及振动座椅用户坐在上面能够体验 到6部炫酷的短片体验非常新潮当然它看上去硕大无比像是一台医疗设备无法成为主流的娱乐设施

1961年Headsight

1961年Headsight问世是世界上第一款头戴显示器它有飞歌公司研发融合CCTV监视系统及头部追踪功能但本质上它的主要目的是用于隐秘信息查看而非娱乐设备

1966年GAF Viewmaster

这款GAF Viewmaster是最早的3D头戴设备之一通过内置两颗镜片来观赏幻灯片具有一定的3D效果但更像是儿童玩具而非专业的影音设备其后续版本还加入了音频功能实现简单的多媒体功能

1968年Sword of Damocles

1968年问世的Sword of Damocles(达摩克利斯之剑)是麻省理工学院实验室研发的头戴显示器其设计非常复杂组件也非常沉重所以需要一个机械臂吊住头戴来使用

1980年Eye Tap

这款Eye Tap看上去与微软的HoloLens非常相似严格意义上它也的确是一款增强现实设备可以连接计算机摄像头将数据叠加显示在眼前当然今天人们对虚拟现实和增强现实已经有了更明确的定义但Eye Tap对于虚拟现实技术的发展还是具有一定意义的

1984年RB2

RB2可以说是第一款商业虚拟现实设备其设计与目前主流产品已经非常相似并且配有体感追踪手套可实现操作然而其经过高达50000美元起在1984年无疑是天价

1985年NASA头戴显示器

1985年NASA(美国航空航管理局)研发出真正的LCD光学头戴显示器其设计结构被目前的虚拟现实头戴广泛采用只不过将LCD换为更低功耗显示效果更好的OLED另外它还具有头部手部追踪系统可实现更加沉浸式的体验被用于模拟太空作业等方面

1993年世嘉VR

著名游戏厂商世嘉曾计划在1993年发布基于其MD游戏机的虚拟现实头戴显示器设备看上去非常前卫遗憾的是在早期非公开试玩测试中测试者反应平淡最终世嘉以体验过于真实担心玩家会受到伤害为理由取消了该项目

1995年任天堂Virtual Boy

1995 年任天堂发布32位游戏机Virtual Boy这是一款非常另类的游戏机其主机是一个头戴显示器但只能显示红黑两色另外碍于当时技术限制游戏内容基本上都是2D效果再加上较低的分 辨率和刷新率极易使用户产生眩晕和不适感最终任天堂的虚拟现实游戏计划在短短不到一年时间便宣告失败

1995年CAVE

1995年伊利诺伊大学的学生们研发出CAVE虚拟现实系统通过创建一个三壁式投影空间配合立体液晶快门眼镜来实现沉浸式体验对于现代虚拟现实技术起到了极大地的推动作用

2009年Oculus Rift

毫无疑问Oculus Rift复兴了虚拟现实技术把它重新带回大众视野中2009年其创始人在Kickstarter上发起众筹活动在很短时间内便获得超过10000 个支持者备受关注此后第三方资金不断涌入让Oculus Rift得以高速发展

2014年社交巨头Facebook宣布以20亿美元收购OculusOculus Rift也在经过了数个DK版本之后正式于今年1月开放消费者版预购于3月在全球20多个国家及地区出货至此虚拟现实真正步入了消费电子市场

从科幻到现实从1957到现在VR设备的发展被许多人形容为是将梦变为现实的过程尽管还存在不足还面临坎坷我们依然有理由期待VR将有光明的未来毕竟每项科技都是这样一路跌撞走来渐渐成长的

VR的主要核心技术

实时三维计算机图形

相比较而言利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情如果有足够准确的模型又有足够的时间我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像但是这里的关键是实时例如在飞行模拟系统中图像的刷新相当重要同时对图像质量的要求也很高再加上非常复杂的虚拟环境问题就变得相当困难

虚拟场景显示技术

人看周围的世界时由于两只眼睛的位置不同得到的图像略有不同这些图像在脑子里融合起来就形成了一个关于周围世界的整体景象这个景象中包括了距离远近的信息当然距离信息也可以通过其他方法获得例如眼睛焦距的远近物体大小的比较等

在VR系统中双目立体视觉起了很大作用用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的显示在不同的显示器上有的系统采用单个显示器但用户带上特殊的眼镜后一只眼睛只能看到奇数帧图像另一只眼睛只能看到偶数帧图像偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感

用户的跟踪在人造环境中每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态而用户也是如此用户看到的景象是由用户的位置和头的方向来确定的

头部追踪技术

在传统的计算机图形技术中视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的用户的视觉系统和运动感知系统是分离的而利用头部跟踪来改变图像的视角用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来感觉更逼真

另一个优点是用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境而且可以通过头部的运动去观察环境这样当我们在现实世界中移动虚拟现实世界中的我们也就能同样地移动

当我们向左看头部追踪技术能够识别这一动作这时硬件就会即时渲染出左边的场景这样我们往左看就能看到左边的场景往右看则能看到右边的场景而不会发生场景跟着我们移动的意外

眼球追踪技术

其实即使是手机VR盒子都具备上述的几个关键硬件技术(手机通过陀螺仪模拟头部追踪)但眼球追踪在VR领域中还算是比较稀有的玩意

眼球跟踪技术是通过追踪我们的瞳孔实现的算法能够根据我们注视的景物来变换景深从而带来更出色的沉浸体验

比如伸出一只手指举在眼前当我们注视着它时手指前方的景物便会变得模糊而当我们注视背景手指又会变得模糊这正是景深不同带来的变化眼球追踪技术能够知道我们在看哪里从而模拟景深的变化让体验更加出色

提起VR领域最重要的技术眼球追踪技术绝对值得被从业者们密切关注Oculus创始人帕尔默?拉奇就曾称其为VR的心脏因为它对于人眼位置的检测能够为当前所处视角提供最佳的3D效果使VR头显呈现出的图像更自然延迟更小这都能大大增加可玩性

同时由于眼球追踪技术可以获知人眼的真实注视点从而得到虚拟物体上视点位置的景深所以眼球追踪技术被大部分VR从业者认为将成为解决虚拟现实头盔眩晕病问题的一个重要技术突破

声音技术

人能够很好地判定声源的方向在水平方向上我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同

常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的所以会有一种方向感现实生活里当头部转动时听到的声音的方向就会改变但目前在VR系统中声音的方向与用户头部的运动无关

感觉反馈技术

在一个VR系统中用户可以看到一个虚拟的杯子你可以设法去抓住它但是你的手没有真正接触杯子的感觉并有可能穿过虚拟杯子的表面而这在现实生活中是不可能的解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉

语音技术

在VR系统中语音的输入输出也很重要这就要求虚拟环境能听懂人的语言并能与人实时交互而让计算机识别人的语音是相当困难的因为语音信号和自然语言信号有其多边性和复杂性

手势跟踪技术

使用手势跟踪作为交互可以分为两种方式第一种是使用光学跟踪第二种是将传感器戴在手上的数据手套

光学跟踪的优势在于使用门槛低场景灵活用户不需要在手上穿脱设备未来在一体化移动VR头显上直接集成光学手部跟踪用作移动场景的交互方式是一件很可行的事情但是其缺点在于视场受局限以及使用手势跟踪会比较累而且不直观没有反馈这需要良好的交互设计才能弥补

数据手套一般在手套上集成了惯性传感器来跟踪用户的手指乃至整个手臂的运动它的优势在于没有视场限制而且完全可以在设备上集成反馈机制(比如震动按钮和触摸)

它的缺陷在于使用门槛较高用户需要穿脱设备而且作为一个外设其使用场景还是受局限就好比说在很多移动场景中不太可能使用鼠标

不过这些问题都没有技术上的绝对门槛完全可以想象类似于指环这样的高度集成和简化的数据手套在未来的VR产业中出现用户可以随身携带随时使用

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2019-04-18
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