VR是如何实现的虚拟现实背后的技术

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经过近年来虚拟现实(VR)的热烈追捧,伴随着它所面临的一系列问题,各界人士变得更加理性,但一些投资者仍然坚持一个愿景:如果技术问题能够解决,解决了,VR总有一天可以取代移动设备。

虚拟现实如何运作

虚拟现实主要模拟人类视觉。 每个 VR 设备都旨在完善其创建沉浸式 3D 环境的方法。 每个 VR 耳机都会在眼睛前面支撑一个屏幕(或两个,每只眼睛一个),消除与现实世界的任何交互。

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(图片来源于网络)

要创建真正的沉浸式虚拟现实,有几个先决条件:最低帧速率为 60fps、同等刷新率、最小视场 (FOV) 为 100 度(尽管 180 度是理想值)。 帧速率是 GPU 每秒处理图像的速率,屏幕刷新率是显示器渲染图像的速度,FOV 是显示器支持眼睛和头部运动的程度。

如果这些不符合标准,用户可能会遇到延迟,即他们的操作和屏幕响应之间的时间过长。 我们需要在不到20毫秒的时间内“欺骗”大脑,这是通过将上述所有因素以正确的比例结合起来来实现的。 此外,另一个需要解决的问题是防止由于位姿更新率和图像刷新率不一致而导致的碎片(晕动病)。 如果GPU的渲染速度大于屏幕刷新率,图像可能会失真。

VR的技术难点是什么?

VR 是一种新的用户界面,与传统界面不同,它让人们沉浸在数字 3D 环境中,而不是在显示器上观看。 计算机生成的图像和内容旨在通过感官(视觉、听觉、触觉)模拟真实存在。

对于什么是真正的 VR 体验,人们有不同的看法,但总的来说,它应该包括:

·从用户的角度看来与真人大小一样的三维图像;

·能够跟踪用户的运动(尤其是头部和眼睛的运动)并相应地调整用户显示器上的图像以反映视角的变化;

VR 体验需要两个主要组件:内容源和用户设备。 换句话说,就是软件和硬件。 今天我们就单从硬件方面来分析一下。 VR设备应提供真实、自然、高质量的图像和交互可能性。 基于以上VR的工作原理,不难得出一个好的VR设备需要平衡以下变量:

·图像分辨率

·视野范围

·刷新率

·动作延迟

·音视频同步

VR的主要挑战是“欺骗”人脑感知真实的数字内容,但这并不是一件容易的事。 截至目前,“沉浸感”问题仍然让VR体验不尽如人意。 例如,人类的视野不能用作视频帧,我们除了大约180度的视线之外还有周边视觉。

然而,VR梦想家相信这些问题迟早会得到解决,并为这个概念而奋斗。 现在我们可以看到大量的360度视频和图片、VR应用和游戏等虚拟体验,这些都是VR从业者努力的结果。

那么什么样的技术才能实现真正的VR沉浸感呢?

VR沉浸感最终体现在用户交互上。 对于用户交互,有几种技术选项:

1. 头部追踪

VR 耳机中的头部跟踪系统可跟踪头部的侧面和角度运动。 它为方向和运动分配 X、Y、Z 轴,并涉及加速计、陀螺仪和光学捕获等设备。 头部跟踪需要低延迟,即50毫秒或更短,否则用户会感觉到头部移动和模拟之间存在滞后。

2. 眼动追踪

一些耳机包含红外控制器,可以在虚拟环境中跟踪眼睛方向。 这项技术的主要好处是更现实和更深入的视图。

3. 运动追踪

尽管尚未得到很好的设计和实施,但运动跟踪将把 VR 提升到一个全新的水平。 问题是,如果没有运动跟踪,你在 VR 中就会受到限制,无法环顾四周并四处走动。 通过6DoF(六个自由度)和3D空间的概念,支持运动跟踪的选项分为两类:光学跟踪和非光学跟踪。 光学跟踪通常是耳机上用于跟踪运动的摄像头,而非光学跟踪是指使用设备或身体上的其他传感器。 事实上,大多数现有设备都结合了这两种选择。

通常,使用 VR 设备可实现 100-110 度的视野。 下一个关键功能是每秒帧速率,该速率至少应为 60 fps,虚拟模拟才能看起来足够逼真。

早期VR头显的6DoF定位主要依靠在场地内设置附加设备配合眼镜中的定位标记来实现定位(OutsideIn)。 近年来出现了InsideOut定位技术,它依靠头盔上的自动定位。 它携带的摄像头捕捉外部景色,从而反向估计其自身的姿态和位置。 与早期的OutsideIn外部定位技术相比,InsideOut定位技术可以让用户避免复杂的外部设备设置环节,大大提高了VR耳机使用的便利性。

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(图片来源于网络)

VR产品处于技术变革的前沿。 2010-2020十年间,众多新产品不断发布,激发了企业家、研发人员和企业的想象力。 随着这项技术过去十年的发展,我相信未来十年(2020-2030)注定是VR产品激动人心的时期。 通过解决这些设备中当前的问题,该技术将在消费者和工业/企业领域得到更广泛的采用。

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