VR虚拟现实”究竟是如何实现的?

VR虚拟现实实现的基本原理 
  像Oculus Rift 及 PlayStation VR这类头戴式可视设备,通用的做法都是要有一个头戴式的显示器。即使没有声音或者手部追踪,放在你面前的这个GOOGLE Cardboard 里的只能手机足够可以使你得到一种半沉浸式的虚拟世界。
 
  这些硬件的目标就是,创造出一种跟真实世界中一样的效果。说到3D的无边界显示的视觉环境,我们通常会和电视或者电脑屏幕联系到一起。因此不管你怎么去看,架在你头上的这台设备一直跟踪着你。这里就跟AR将整个真实世界的图像包围你有所区别。
 
  以HTC的Vive及Rift为例,他们都是通过高清的数据连接线,平台或者电脑将视频内容输送到头戴设备显示屏。而Google的Cardboard及最新版的Daydream头戴设备,三星的GearVR,他们都是讲只能手机插入到头戴设备中。 VR 头戴设备将信号输送到一块屏幕或者两块 LCD 显示上来。但你的眼睛和屏幕之间还隔着镜片,这也就是为什么这些设备被称之为「眼镜」的原因。
 
  在一些设备中,你还可以调节两个镜片之间的距离——因为人与人之间的瞳距是不一样的。 
这些镜片通过对焦和二次成像来修正每个眼睛看到的图像,改变 2D 图像的角度来模仿立体 3D 影像在不同眼睛里的模样。你可以试着闭上一只眼睛,然后快速反复地来回切换眼睛观察物体,你就能明白上述的原理了。 
 
  VR头戴设备增加沉浸感的一个重要的方式就是扩展视野范围。360度的显示屏可能过于宽泛,并且也没有必要。更多的高端设备是取100到110度之间的可视范围,这对于迷惑眼睛来说,足够了。 
 
  为了使得头戴设备能够足以欺骗人脑感知的图像,最小的帧速率约为60帧每秒刷新率,这样才能够避免延迟或者眩晕感。当前的VR设备远远超过了这个刷新率,例如Oculus的刷新率可达90帧每秒,而索尼的Playstation达到了120帧每秒。
 


头部追踪 
  当你头戴一款 VR 设备时,头部追踪意味着你眼前的景象会随着你上下左右转动头部而改变。6DoF(six degrees of freedom)这套系统能够将你的头部移动转化成 x,y,z 三个维度,来精确测量头部的前后左右移动等动作。 运用在头部追踪系统内的有一系列不同的内部组件,比如陀螺仪,加速计和磁力计。Sony 的 PSVR 同样也在头盔上用到了 9 颗 LED 灯,辅以 PS4 上的摄像头监视提供 360 头部追踪,Oculus 也有 20 颗灯,但是它们不如 Sony 的更有标识度。
 
  实现头部追踪技术必须降低延迟——我们说的低延迟是 50ms 或更低,才能让我们在转头或者VR环境改变时候,感觉不到画面的延迟。Oculus Rift 将延迟降低到了 30ms,让人印象深刻。延迟问题同样也是其他追踪输入的一个问题,例如索尼的PSVR在监测我们手部及臂膀动作时,移动状态的控制。
 
  最后,耳机也能用于提高沉浸感。双耳或 3D 音频可以被用在应用和游戏中去,与头部追踪技术一块应用,给予穿戴者以临场音效从不同的方向传播过来的感觉。
 
动作追踪 
  至今为止,相对于 Cardboard 似的设备而言,头部追踪依然是那些尚未正式发售的高级头盔的最大优势。但是 VR 领域的「大玩家」们仍然致力于研究动作追踪的功能。当你戴着 VR 头盔向下看的时候,你想做的第一件事肯定是看看自己的手在虚拟世界中的样子。 
 
  目前,我们已经见识过 Leap Motion 的配件——使用红外线传感器来追踪你的手部动作。我们也用 Kinect 2 摄像头做过一些追踪全身动作的实验。但目前我们已经有的是来自 Oculus,Valve 和 Sony 的输入设备。 Oculus Touch 是一套无线控制器,设计的初衷是让用户在虚拟空间里如同使用自己的手一般使用它。比如,在射击游戏中,你可以通过扣下扳机来射击。在控制器上也还有一系列的传感器阵列以识别如点按,挥手等动作。
 
  这和 Valve 的 Lighthouse 定位追踪系统以及 HTC Vive 的控制器原型特别相似。它在房间里包括两个基站,并且将整个房间布满激光。它能通过你头部和手上光电管传感器相互碰撞的时机来准确地检测到你的头部和手的位置。和 Oculus Touch 一样,它也具备有特色的物理按钮,更难以置信的是,在同一空间内用两套 Lighthouse 系统可以追踪多个用户。
 
  其他的输入方式还包括从 Xbox 控制器上的借鉴过来的控制器或者和 PC 连接起来的控制杆,语音控制,智能手套以及如 Virtuix Omni 一样的跑步机——它能帮助你在虚拟世界里更「优雅地」活动。
 
眼部追踪 
  眼部追踪可能是 VR 拼图的最后一块。Rift,Vive 或者 PSVR 上还见不着这个技术,但它将会出现在 FOVE 众筹的 VR 设备上。那么它是什么原理呢? 通过一个内置在头盔里的红外线传感器,FOVE 能够知道你的眼镜在盯着虚拟世界的哪个地方。除了能让游戏中的角色能更快地感知到你在朝哪边看之外,它的另一个的优势就是能提升场景深度的真实性。
 
  在标准的 VR 头戴设备中,每个事物都是泛焦的,不是我们在现实生活中习以为常的模样。比如,如果我们的眼睛看远处的物体,眼前的物体就会模糊掉。通过追踪我们的眼睛,FOVE 的绘图引擎可以在 VR 中的 3D 空间中模拟这种效果。没错,模糊也有好的一面。 


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