VR技術(shù)的前世今生_VR的主要核心技術(shù)

戴上一副眼鏡，連接電腦或手機(jī)，你就能進(jìn)入一個全新的虛擬世界，這種類似科幻電影《黑客帝國》里的場景正在我們身邊發(fā)生，而讓這一切實(shí)現(xiàn)的技術(shù)就是最近火得不行的“虛擬現(xiàn)實(shí)”，也就是許多人口中的VR（Virtual Reality）。

什么是VR？

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR），即利用計算機(jī)發(fā)展中的高科技手段構(gòu)造出一個虛擬的境界，使參與者獲得與現(xiàn)實(shí)一樣的感覺。

舉一個例子，當(dāng)你戴上特制的頭盔與手套后，會發(fā)現(xiàn)你已置身于一個不受時空限制的歷史的博物館中，當(dāng)你向前行走或者轉(zhuǎn)頭時，你所看見的景象也會隨之改變，你可穿過大廳，推開前面的大門，當(dāng)你看見一件精美的展品時，你甚至可以上上下下、里里外外仔細(xì)地觀摩——這就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來的真實(shí)感覺。

VR技術(shù)，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三度空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。

使用者進(jìn)行位置移動時，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場感。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），看到的場景和人物全是假的，是把人的意識代入一個虛擬的世界。

VR像做夢，看到的場景和人物全是假的，是把你的意識代入一個虛擬的世界。簡單的來說，就是你看到的東西都是假的，但是你的感覺是真實(shí)的，它就會給你一種身臨其境的感受。

VR技術(shù)原理

人們在看周圍的世界時，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這種差別能讓我們感知到深度，讓事物看起來立體。VR技術(shù)也是利用這種視覺差別，替我們的雙眼安排不同的畫面，從而讓我們感覺到畫面的立體性。與3D電影不同，VR強(qiáng)調(diào)的是360度全景交互，不僅有強(qiáng)烈的沉浸感和立體感，更重要的是允許用戶和虛擬世界進(jìn)行交互。

在人造環(huán)境中，每個物體相對于系統(tǒng)的坐標(biāo)系都有一個位置，而用戶也是如此，用戶看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來確定的。跟蹤頭部運(yùn)動的虛擬現(xiàn)實(shí)頭套可以感知我們的頭部動作。

這樣，當(dāng)我們在移動時，虛擬世界中的我們就能同樣的移動，當(dāng)我們向左看，虛擬現(xiàn)實(shí)頭套可以識別這一動作，這時硬件會及時渲染出左邊的場景。如此，當(dāng)我們往左看時，就能看到左邊的場景，往右看時，就能看到右邊的場景，避免了場景不跟隨我們目光移動的意外。

VR技術(shù)前世今生

1956年：Sensorama

1956年，攝影師Morton Heilig發(fā)明了Sensorama，一款集成體感裝置的3D互動終端，它集成3D顯示器、立體聲音箱、氣味發(fā)生器以及振動座椅，用戶坐在上面能夠體驗(yàn) 到6部炫酷的短片，體驗(yàn)非常新潮。當(dāng)然，它看上去碩大無比，像是一臺醫(yī)療設(shè)備，無法成為主流的娛樂設(shè)施。

1961年：Headsight

1961年，Headsight問世，是世界上第一款頭戴顯示器。它有飛歌公司研發(fā)，融合CCTV監(jiān)視系統(tǒng)及頭部追蹤功能，但本質(zhì)上，它的主要目的是用于隱秘信息查看，而非娛樂設(shè)備。

1966年：GAF Viewmaster

這款GAF Viewmaster是最早的3D頭戴設(shè)備之一，通過內(nèi)置兩顆鏡片來觀賞幻燈片，具有一定的3D效果，但更像是兒童玩具，而非專業(yè)的影音設(shè)備。其后續(xù)版本還加入了音頻功能，實(shí)現(xiàn)簡單的多媒體功能。

1968年：Sword of Damocles

1968年問世的Sword of Damocles（達(dá)摩克利斯之劍），是麻省理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的頭戴顯示器，其設(shè)計非常復(fù)雜，組件也非常沉重，所以需要一個機(jī)械臂吊住頭戴來使用。

1980年：Eye Tap

這款Eye Tap看上去與微軟的HoloLens非常相似，嚴(yán)格意義上它也的確是一款增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，可以連接計算機(jī)攝像頭，將數(shù)據(jù)疊加顯示在眼前。當(dāng)然，今天人們對虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)已經(jīng)有了更明確的定義，但Eye Tap對于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展還是具有一定意義的。

1984年：RB2

RB2可以說是第一款商業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，其設(shè)計與目前主流產(chǎn)品已經(jīng)非常相似，并且配有體感追蹤手套，可實(shí)現(xiàn)操作。然而，其經(jīng)過高達(dá)50000美元起，在1984年無疑是天價。

1985年：NASA頭戴顯示器

1985年，NASA（美國航空航管理局）研發(fā)出真正的LCD光學(xué)頭戴顯示器，其設(shè)計結(jié)構(gòu)被目前的虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴廣泛采用，只不過將LCD換為更低功耗、顯示效果更好的OLED。另外，它還具有頭部、手部追蹤系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)更加沉浸式的體驗(yàn)，被用于模擬太空作業(yè)等方面。

1993年：世嘉VR

著名游戲廠商世嘉曾計劃在1993年發(fā)布基于其MD游戲機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器，設(shè)備看上去非常前衛(wèi)。遺憾的是，在早期非公開試玩測試中，測試者反應(yīng)平淡，最終世嘉以“體驗(yàn)過于真實(shí)、擔(dān)心玩家會受到傷害”為理由，取消了該項目。

1995年：任天堂Virtual Boy

1995 年，任天堂發(fā)布32位游戲機(jī)Virtual Boy，這是一款非常另類的游戲機(jī)，其主機(jī)是一個頭戴顯示器，但只能顯示紅黑兩色。另外，礙于當(dāng)時技術(shù)限制，游戲內(nèi)容基本上都是2D效果，再加上較低的分 辨率和刷新率，極易使用戶產(chǎn)生眩暈和不適感。最終，任天堂的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲計劃在短短不到一年時間便宣告失敗。

1995年：CAVE

1995年，伊利諾伊大學(xué)的學(xué)生們研發(fā)出“CAVE”虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過創(chuàng)建一個三壁式投影空間、配合立體液晶快門眼鏡，來實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)，對于現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起到了極大地的推動作用。

2009年：Oculus Rift

毫無疑問，Oculus Rift復(fù)興了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，把它重新帶回大眾視野中。2009年，其創(chuàng)始人在Kickstarter上發(fā)起眾籌活動，在很短時間內(nèi)便獲得超過10000 個支持者，備受關(guān)注。此后，第三方資金不斷涌入，讓Oculus Rift得以高速發(fā)展。

2014年，社交巨頭Facebook宣布以20億美元收購Oculus，Oculus Rift也在經(jīng)過了數(shù)個DK版本之后，正式于今年1月開放消費(fèi)者版預(yù)購、于3月在全球20多個國家及地區(qū)出貨。至此，虛擬現(xiàn)實(shí)真正步入了消費(fèi)電子市場。

從科幻到現(xiàn)實(shí)，從1957到現(xiàn)在，VR設(shè)備的發(fā)展被許多人形容為是“將夢變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)”的過程，盡管還存在不足，還面臨坎坷，我們依然有理由期待VR將有光明的未來，畢竟每項科技都是這樣一路跌撞走來，漸漸成長的。

VR的主要核心技術(shù)

實(shí)時三維計算機(jī)圖形

相比較而言，利用計算機(jī)模型產(chǎn)生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準(zhǔn)確的模型，又有足夠的時間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關(guān)鍵是實(shí)時。例如在飛行模擬系統(tǒng)中，圖像的刷新相當(dāng)重要，同時對圖像質(zhì)量的要求也很高，再加上非常復(fù)雜的虛擬環(huán)境，問題就變得相當(dāng)困難。

虛擬場景顯示技術(shù)

人看周圍的世界時，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子里融合起來，就形成了一個關(guān)于周圍世界的整體景象，這個景象中包括了距離遠(yuǎn)近的信息。當(dāng)然，距離信息也可以通過其他方法獲得，例如眼睛焦距的遠(yuǎn)近、物體大小的比較等。

在VR系統(tǒng)中，雙目立體視覺起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統(tǒng)采用單個顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數(shù)幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數(shù)幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產(chǎn)生了立體感。

用戶(頭、眼)的跟蹤：在人造環(huán)境中，每個物體相對于系統(tǒng)的坐標(biāo)系都有一個位置與姿態(tài)，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭(眼)的方向來確定的。

頭部追蹤技術(shù)

在傳統(tǒng)的計算機(jī)圖形技術(shù)中，視場的改變是通過鼠標(biāo)或鍵盤來實(shí)現(xiàn)的，用戶的視覺系統(tǒng)和運(yùn)動感知系統(tǒng)是分離的，而利用頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統(tǒng)和運(yùn)動感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來，感覺更逼真。

另一個優(yōu)點(diǎn)是，用戶不僅可以通過雙目立體視覺去認(rèn)識環(huán)境，而且可以通過頭部的運(yùn)動去觀察環(huán)境，這樣當(dāng)我們在現(xiàn)實(shí)世界中移動，虛擬現(xiàn)實(shí)世界中的我們也就能同樣地移動。

當(dāng)我們向左看，頭部追蹤技術(shù)能夠識別這一動作，這時硬件就會即時渲染出左邊的場景，這樣，我們往左看就能看到左邊的場景，往右看則能看到右邊的場景，而不會發(fā)生場景跟著我們移動的意外。

眼球追蹤技術(shù)

其實(shí)，即使是手機(jī)VR盒子，都具備上述的幾個關(guān)鍵硬件技術(shù)（手機(jī)通過陀螺儀模擬頭部追蹤），但眼球追蹤，在VR領(lǐng)域中還算是比較稀有的玩意。

眼球跟蹤技術(shù)是通過追蹤我們的瞳孔實(shí)現(xiàn)的，算法能夠根據(jù)我們注視的景物來變換景深，從而帶來更出色的沉浸體驗(yàn)。

比如，伸出一只手指舉在眼前，當(dāng)我們注視著它時，手指前方的景物便會變得模糊，而當(dāng)我們注視背景，手指又會變得模糊，這正是景深不同帶來的變化。眼球追蹤技術(shù)能夠知道我們在看哪里，從而模擬景深的變化，讓體驗(yàn)更加出色。

提起VR領(lǐng)域最重要的技術(shù)，眼球追蹤技術(shù)絕對值得被從業(yè)者們密切關(guān)注。Oculus創(chuàng)始人帕爾默?拉奇就曾稱其為“VR的心臟”，因?yàn)樗鼘τ谌搜畚恢玫?a target="_blank">檢測，能夠?yàn)楫?dāng)前所處視角提供最佳的3D效果，使VR頭顯呈現(xiàn)出的圖像更自然，延遲更小，這都能大大增加可玩性。

同時，由于眼球追蹤技術(shù)可以獲知人眼的真實(shí)注視點(diǎn)，從而得到虛擬物體上視點(diǎn)位置的景深。所以，眼球追蹤技術(shù)被大部分VR從業(yè)者認(rèn)為將成為解決虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔眩暈病問題的一個重要技術(shù)突破。

聲音技術(shù)

人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強(qiáng)度的差別來確定聲音的方向，因?yàn)槁曇舻竭_(dá)兩只耳朵的時間或距離有所不同。

常見的立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來實(shí)現(xiàn)的，所以會有一種方向感。現(xiàn)實(shí)生活里，當(dāng)頭部轉(zhuǎn)動時，聽到的聲音的方向就會改變。但目前在VR系統(tǒng)中，聲音的方向與用戶頭部的運(yùn)動無關(guān)。

感覺反饋技術(shù)

在一個VR系統(tǒng)中，用戶可以看到一個虛擬的杯子。你可以設(shè)法去抓住它，但是你的手沒有真正接觸杯子的感覺，并有可能穿過虛擬杯子的“表面”，而這在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內(nèi)層安裝一些可以振動的觸點(diǎn)來模擬觸覺。

語音技術(shù)

在VR系統(tǒng)中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環(huán)境能聽懂人的語言，并能與人實(shí)時交互。而讓計算機(jī)識別人的語音是相當(dāng)困難的，因?yàn)檎Z音信號和自然語言信號有其“多邊性”和復(fù)雜性。

手勢跟蹤技術(shù)

使用手勢跟蹤作為交互可以分為兩種方式：第一種是使用光學(xué)跟蹤，第二種是將傳感器戴在手上的數(shù)據(jù)手套。

光學(xué)跟蹤的優(yōu)勢在于使用門檻低，場景靈活，用戶不需要在手上穿脫設(shè)備，未來在一體化移動VR頭顯上直接集成光學(xué)手部跟蹤用作移動場景的交互方式是一件很可行的事情。但是其缺點(diǎn)在于視場受局限，以及使用手勢跟蹤會比較累而且不直觀，沒有反饋。這需要良好的交互設(shè)計才能彌補(bǔ)。

數(shù)據(jù)手套，一般在手套上集成了慣性傳感器來跟蹤用戶的手指乃至整個手臂的運(yùn)動。它的優(yōu)勢在于沒有視場限制，而且完全可以在設(shè)備上集成反饋機(jī)制（比如震動，按鈕和觸摸）。

它的缺陷在于使用門檻較高：用戶需要穿脫設(shè)備，而且作為一個外設(shè)其使用場景還是受局限：就好比說在很多移動場景中不太可能使用鼠標(biāo)。

不過這些問題都沒有技術(shù)上的絕對門檻，完全可以想象類似于指環(huán)這樣的高度集成和簡化的數(shù)據(jù)手套在未來的VR產(chǎn)業(yè)中出現(xiàn)，用戶可以隨身攜帶隨時使用。