虚拟现实与现实VR技术到底是什么

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相信大家都看过一部关于VR的电影,那就是史蒂文·斯皮尔伯格导演的《头号玩家》。

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本片改编自恩斯特·克莱因的同名小说。 它讲述了一个未来世界的故事,无数年轻人因为现实生活无聊而沉浸在VR的虚拟世界中。 主角韦德逐渐发现自己在现实世界和虚拟世界都面临着困难,他需要和朋友们一起拯救世界。

在原著小说中,VR眼镜基本上只是作为进入虚拟世界的工具而存在; 但这部电影非常真实地展示了VR眼镜在两个世界如何连接和互动以及如何通过VR技术改变人们的重要作用。 尤其是对于现实世界被VR改变后的场景,描述得令人惊叹。

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那么VR技术到底是什么? 它是如何发展到今天的样子的?

什么是VR技术?

VR(Virtual Reality)技术,中文意思是虚拟现实,利用一系列技术手段,创造虚拟场景,模拟各种感官体验,欺骗大脑,创造身临其境的真实体验。

这一概念可以追溯到奥尔德斯·赫胥黎1932年的小说《美丽新世界》。 这部小说以26世纪为背景,描述了以机械文明为代表的未来社会人们的生活场景。 书中提到,“头戴式设备可以为观看者提供图像、气味、声音等一系列感官体验,让观看者更好地沉浸在虚拟世界中。”

二十三年后,即 1955 年,摄影师莫顿·海利格 (Morton Heilig) 设计了这款头戴式设备的原型。

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VR眼镜一代机

这是一个巧妙的装置,完美地结合了光学、人类视觉成像原理和大脑的视觉感知系统,其架构至今仍在使用。

其实我们可以用纸壳来代替!

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自制50美分VR眼镜

难道说,戴上这样的VR眼镜,就能进入电影中的奇幻世界吗?

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才不是!

事实上,虚拟现实技术融合了硬件层面的传感器技术和软件层面的计算机图形技术、计算机仿真技术、显示技术等科学技术。 它在多维信息空间中创建虚拟信息环境,使用户有身临其境的感觉,并具有完善的环境交互能力。

连接虚拟与现实的物质基础是传感器技术。

在使用VR设备时,最关键的指标是:用户在虚拟世界中的身体信息。 这主要是通过测量头部的朝向和物理位置来确定的。 据此,目前VR设备中的传感器主要可以分为以下三类:

首先,最重要的一类是IMU传感器,它是一种惯性测量单元。 包括陀螺仪、加速度传感器和地磁传感器。

想象一个笛卡尔坐标系,如下图所示,有x、y、z轴; IMU 传感器能够测量每个轴方向的线性运动,以及绕每个轴的旋转运动。

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IMU传感器原理图

在VR技术中,IMU传感器主要用于捕捉头部运动,尤其是旋转。 对于VR设备来说,产品体验主要取决于动作捕捉的准确性和显示的延迟,而这很大程度上是由设备中的IMU惯性传感器决定的。 因此,IMU传感器在VR中起着基础和核心的作用。

其次,第二大类是用于定位和动作捕捉的传感器。 这主要是用来实现动作捕捉,特别是用户的前、后、左、右动作。 目前的解决方案包括红外摄像头和红外感应传感器。

大家在赵忠祥老师的全民公开课——《动物世界》中应该已经了解了这种传感器使用的最基本的原理。

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“颊窝——蛇的红外线感受器”

最后,还有我们常见的分类——其他类型的传感器。

我们将其余难以分类的杂项放在这里,包括用于磨损检测的接近传感器、用于触摸板的电容式传感传感器和其他广泛使用的传感器,以及用于眼动追踪的传感器。 高动态捕捉相机、手势识别和AR功能传感器等传感器可能会用于未来的VR设备。

当然,有了这些硬件基础产生的数据,你已经具备了进入沉浸式“梦境”的基本条件。 最终还是需要一个“大脑”来进行处理,那就是计算机。

同时,计算处理单元还负责为你构建一个完美的虚拟世界,就像电影中的“绿洲”一样。

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VR技术的奇迹

有人会说,没想到科学家们煞费苦心,为我创造了一个良好的体验环境。

事实上,这项早期技术最早是美军为了解决战斗机飞行员的驾驶问题而开发的。

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后来人们发现这种身临其境的感觉可以帮助人机交互,激发奇思妙想,于是逐渐应用到民用领域。

说到沉浸感,就不得不说说VR的三大特点:沉浸感、交互性和想象力。 (业内又称“3I”)

沉浸感是指当你玩VR时,感觉非常真实。 你的大脑相信你看到的、听到的、感觉到的一切都是真实的,所以你完全沉浸在这个虚拟世界中。

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这个怎么做? 其实就是让机器通过模拟各种感觉来欺骗大脑。 根据现有的传感器和机械技术,实际上只能模拟视觉、听觉等少数几种感知,但这已经占了人类所有感知的90%以上。 差别不到10%,这也是为什么玩VR的时候还是感觉有点假的原因。

当然,即使沉浸感非常真实,如果你只能看到而不能触摸或互动,你的大脑也会回过神来,意识到这一切只是一面镜子。

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因此,VR必须让你在虚拟世界中拳打脚踢、上下跳跃。 这就是各种传感器发挥作用的地方。 通过传感技术,可以在虚拟现实中跟踪并反馈人手的精细动作、身体的跑动、跳跃等动作。

除了前面两点之外,虚拟现实的另一个重要特征就是构想。

不仅可以对现实进行建模,还可以模拟现实中不存在的场景、事物、规律,从而以与现实完全不同的方式控制大脑。

有了这些,虚拟世界就会更加真实,更加富有想象力,让虚拟现实变得更加有趣。

VR的未来

近年来,得益于半导体行业的快速发展,VR设备所需的传感器、液晶屏等零部件价格下降,解决了量产和成本问题; 随着通信行业的发展,所有的VR应用都可以在云端运行,利用其强大的计算能力和渲染能力来处理VR应用运算的结果,并将云端处理后的图像和声音通过云端发送到VR设备。超低延迟5G网络。

技术的进步让VR距离普及越来越近,很多大公司都推出了自己的VR产品。 比如谷歌推出了廉价好用的Cardboard、三星推出了Gear VR等,消费级VR开始大量涌现。

如今,VR不仅在(小)电影、直播、购物等娱乐领域疯狂增长,在工作和生活中也有很多应用。 如视频会议、教育模拟和旅游探索等,并向分布式虚拟现实发展。

同时,虚拟现实技术已成为新产品设计和开发的重要手段。 其中,协同工作和虚拟现实是VR技术的新研究和应用热点。

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召开 VR 会议

此外,VR已成为构建虚拟样机、支持虚拟样机技术的重要工具。 VR虚拟环境技术允许工程师在三维空间中与他们的设计原型(虚拟原型)实时交互。

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