VR立體顯示技術(shù)/場景建模技術(shù)/自然交互技術(shù)解析

　　VR是一種綜合性的技術(shù)，由三大模塊組成，分別是立體顯示技術(shù)、場景建模技術(shù)和自然交互技術(shù)，如圖所示。

　　本文將向大家簡單介紹以上三種技術(shù)的相關(guān)知識。

　　【1】立體顯示技術(shù)

　　立體顯示技術(shù)是以人眼的立體視覺原理為依據(jù)的。因此，研究人眼的立體視覺機(jī)制，掌握立體視覺的規(guī)律，對設(shè)計(jì)立體顯示系統(tǒng)是十分必要的。如果想要在虛擬的世界中看到立體的效果，就需要知道人眼立體視覺產(chǎn)生的原理，然后再用一定的技術(shù)通過顯示設(shè)備還原立體三維效果。

　?。?）HMD頭戴顯示技術(shù)

　　HMD頭戴顯示技術(shù)的基本原理是讓影像透過棱鏡反射之后，進(jìn)入人的雙眼在視網(wǎng)膜中成像，營造出在超短距離內(nèi)看超大屏幕的效果，而且具備足夠高的解析度。因?yàn)轭^戴顯示器通常擁有兩個顯示器，而兩個顯示器會由計(jì)算機(jī)分別驅(qū)動向兩只眼睛提供不同的圖像。這樣就形成了雙眼視差，再通過人的大腦將兩個圖像融合以獲得深度感知，從而得到立體的圖像。

　　主流的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備基本上都是基于雙顯示屏技術(shù)的，包括Oculus Rift、HTC Vive、Sony Playstation VR、3Glasses、蟻視AntVR等。

　　（2）全息投影技術(shù)

　　3D全息投影技術(shù)可以分為投射全息投影和反射全息投影兩種，是全息攝影技術(shù)的逆向展示。和傳統(tǒng)的立體顯示技術(shù)利用雙眼視差原理不同，3D全息投影技術(shù)可以通過將光線投射在空氣或者特殊的介質(zhì)上真正呈現(xiàn)3D的影像。人們可以從360度的任何角度觀看影像的不同側(cè)面，得到與觀看現(xiàn)實(shí)世界中物體完全相同的視覺效果。

　　目前我們經(jīng)?？吹降母黝惐硌葜兴褂玫娜⑼队凹夹g(shù)都需要用到全息膜這種特殊的介質(zhì)，而且需要提前在舞臺上做各種精密的光學(xué)布置。雖然看起來效果絢麗無比，但成本高昂，操作復(fù)雜，需要專業(yè)訓(xùn)練，并非每個普通人都可以輕松享受到。從某種程度上來說，目前的主流商使用的全息投影技術(shù)只能被稱作“偽全息投影”。

　?。?）光場成像技術(shù)

　　神秘的Magic Leap采用了所謂的“光場成像”技術(shù)，從某種意義上來說可以算作“準(zhǔn)全息投影”技術(shù)。其原理是用螺旋狀震動的光纖來形成圖像，并直接讓光線從光纖彈射到人的視網(wǎng)膜上。簡單來說，就是用光纖向視網(wǎng)膜直接投射整個數(shù)字光場（Digital Lightfield），產(chǎn)生所謂的電影級現(xiàn)實(shí)（Cinematic Reality）。

　　【2】場景建模技術(shù)

　　為了打造完美的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，我們需要從零開始構(gòu)建一個位于異度空間的虛擬世界，或是將現(xiàn)實(shí)生活中的場景人物轉(zhuǎn)化成虛擬世界的一部分。那么這種虛擬世界又是如何構(gòu)建的呢？

　　目前來說，主要通過3D計(jì)算機(jī)建模和3D實(shí)景掃描等方式來實(shí)現(xiàn)。

　?。?）3D計(jì)算機(jī)建模

　　先從大多數(shù)人比較熟悉也都接觸過的3D計(jì)算機(jī)建模說起。簡單來說，3D計(jì)算機(jī)建模就是通過各種三維軟件在虛擬的三維空間中構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型。這個模型又被稱作3D模型，可以通過名為“3D渲染”的過程以二維的平面圖像呈現(xiàn)出來，或是用在各種物理現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)模擬中，或是用3D打印設(shè)備創(chuàng)造出來。

　　除了游戲之外，3D計(jì)算機(jī)建模還廣泛應(yīng)用在影視、動畫、建筑設(shè)計(jì)和工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中。目前在游戲、影視和動畫領(lǐng)域最常用的3D建模軟件包括3Ds Max、Maya、Cinema4D、Blender、Softimage等，而在建筑和工業(yè)設(shè)計(jì)中最常用的則是AutoCAD、Rhino等軟件。

　?。?）3D掃描

　　在構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)世界的時候，除了使用常規(guī)的3D建模技術(shù)和實(shí)景拍攝技術(shù)，我們還可以使用3D掃描技術(shù)將真實(shí)環(huán)境、人物和物體進(jìn)行快速建模，將實(shí)物的立體信息轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以直接處理的數(shù)字模型。

　　3D掃描儀就是利用3D掃描技術(shù)將真實(shí)世界物體或環(huán)境快速建立數(shù)字模型的工具。3D掃描儀有多種類型，但通?？梢苑譃閮纱箢悾航佑|式3D掃描儀和非接觸式3D掃描儀。目前看來，每種3D掃描技術(shù)都存在一定的局限性和特點(diǎn)。

　　總的來說，3D掃描技術(shù)目前還處于發(fā)展的早期階段，仍然欠缺方便易用的消費(fèi)級解決方案。

　?。?）SLAM

　　在AR/MR設(shè)備中，為了讓真實(shí)世界與虛擬世界完美地融合在一起，需要使用即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)（SLAM）。目前，微軟的HoloLens設(shè)備就支持SLAM技術(shù)。而在AR SDK層面上，Wikitude SDK和蘋果最新推出的ARKit均實(shí)現(xiàn)了對SLAM的支持。

　　【3】 自然交互技術(shù)

　　隨著AR/VR時代的來臨，傳統(tǒng)的交互方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需求。因此，模仿人類本能的自然交互技術(shù)成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要基礎(chǔ)。要實(shí)現(xiàn)完美的沉浸感，虛擬現(xiàn)實(shí)的世界中需要用到哪些自然交互技術(shù)呢？

　?。?）動作捕捉

　　為了實(shí)現(xiàn)和虛擬現(xiàn)實(shí)世界中場景和人物之間的自然交互，我們需要捕捉人體的基本動作，包括手勢、身體運(yùn)動等。實(shí)現(xiàn)手勢識別和動作捕捉的主流技術(shù)分為兩大類，一類是光學(xué)動作捕捉，另一類是非光學(xué)動作捕捉。光學(xué)動作捕捉包括主動光學(xué)捕捉和被動光學(xué)捕捉，而非光學(xué)動作捕捉技術(shù)則包括慣性動作捕捉、機(jī)械動作捕捉、電磁動作捕捉甚至超聲波動作捕捉。

　　目前有多個廠商在使用類似Kinect的3D光感應(yīng)技術(shù)提供手勢識別和姿勢控制的解決方案，也便于用戶使用。采用類似技術(shù)的產(chǎn)品或解決方案還包括Intel Realsense、Softkinetic、Leap Motion、Google Project Tango等。但總的來說，3D光感應(yīng)技術(shù)還屬于前期的探索階段，并沒有非常成熟的。

　?。?）眼動追蹤

　　眼動追蹤的原理其實(shí)很簡單，就是使用攝像頭捕捉人眼或臉部的圖像，然后用算法實(shí)現(xiàn)人臉和人眼的檢測、定位和跟蹤，從而估算用戶的視線變化。目前主要使用光譜成像和紅外光譜成像兩種圖像處理方法，前一種需要捕捉虹膜和鞏膜之間的輪廓，而后一種則跟蹤瞳孔輪廓。

　?。?）語音交互

　　在和現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行交流的時候，除了眼神、表情和動作之外，最常用的交互技術(shù)就是語音交互了。一個完整的語音交互系統(tǒng)包括對語音的識別和對語義的理解兩大部分，不過人們通常用“語音識別”這一個詞來概括。語音識別包含了特征提取、模式匹配和模型訓(xùn)練三方面的技術(shù)，涉及的領(lǐng)域很多，包括信號處理、模式識別、聲學(xué)、聽覺心理學(xué)、人工智能等。

　　相比其他幾種交互技術(shù)，語音交互技術(shù)更多的屬于算法和軟件的范疇，但其開發(fā)的難度及可提升的空間卻絲毫不遜于任何一種交互技術(shù)。

　?。?）觸覺技術(shù)

　　觸覺技術(shù)又被稱作所謂的“力反饋”技術(shù)，在游戲行業(yè)和虛擬訓(xùn)練中一直有相關(guān)的應(yīng)用。具體來說，它會通過向用戶施加某種力、震動或是運(yùn)動，讓用戶產(chǎn)生更加真實(shí)的沉浸感。觸覺技術(shù)可以幫助在虛擬的世界中創(chuàng)造和控制虛擬的物體，訓(xùn)練遠(yuǎn)程操控機(jī)械或機(jī)器人的能力，甚至是模擬訓(xùn)練外科實(shí)習(xí)生進(jìn)行手術(shù)。

　?。?）嗅覺及其他感覺交互技術(shù)

　　在虛擬現(xiàn)實(shí)的研究中，對視覺和聽覺交互的研究一直占據(jù)主流位置，而對其他感覺交互技術(shù)則相對忽視，但仍然有一些研究機(jī)構(gòu)和創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)在著手解決這些問題。

　?。?）腦機(jī)接口

　　腦機(jī)接口（Brain Computer Interface， BCI）就是大腦和計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行交互，有時候又被稱為意識-機(jī)器交互、神經(jīng)直連。腦機(jī)接口是人或者動物大腦和外部設(shè)備間建立的直接連接通道，又分為單向腦機(jī)接口和雙向腦機(jī)接口。單向腦機(jī)接口只允許單向的信息通訊，比如只允許計(jì)算機(jī)接受大腦傳來的命令，或者只允許計(jì)算機(jī)向大腦發(fā)送信號（比如重建影像）。而雙向腦機(jī)接口則允許大腦和外部計(jì)算機(jī)設(shè)備間實(shí)現(xiàn)雙向的信息交換。
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