虛擬還是現(xiàn)實解讀虛擬現(xiàn)實設(shè)備

技術(shù)宅

科技掃盲——認識虛擬現(xiàn)實設(shè)備

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）是近年來出現(xiàn)的高新技。從字面理解就是一種通過虛擬設(shè)備模擬出現(xiàn)實環(huán)境的設(shè)備，它借助電腦、手機等設(shè)備模擬出一個立體三維空間，通過對人的視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶在虛擬世界里感受到一種極度真實的現(xiàn)實感。

從視覺效果上來說，虛擬現(xiàn)實設(shè)備和我們之前介紹的3D顯示有些類似，但是3D顯示只是模擬出一種3D立體視覺效果，虛擬現(xiàn)實設(shè)備則在此基礎(chǔ)上融入了各種交互體驗，讓使用者有更加逼真的全方位立體感受。比如根據(jù)試用者的描述，用戶戴上Oculus公司的虛擬頭盔后，它可在一個房間里模擬出一個非常真實的高臺環(huán)境，用戶雖然是站在房間的平地上，但是根本不敢在這個虛擬高臺上往下跳（實際跳躍只是彎腿并“跳”在平地上），因為這個模擬的虛擬環(huán)境實在太真實了（圖2）。

解密VR——虛擬現(xiàn)實設(shè)備怎么實現(xiàn)現(xiàn)實效果

虛擬環(huán)境畢竟還是“虛”的，它是怎么實現(xiàn)如此逼真的模擬呢？這里以上述虛擬高臺為例。

首先了解一下虛擬現(xiàn)實設(shè)備的組成，一套虛擬設(shè)備主要包括建模設(shè)備、顯示設(shè)備、定位設(shè)備和交互設(shè)備，四種設(shè)備各司其職。其中建模設(shè)備主要用于獲取物體外表面的三維坐標(biāo)及物體的三維數(shù)字化模型，在虛擬現(xiàn)實設(shè)備中主要通過電腦渲染完成。比如在虛擬現(xiàn)實游戲中，其中電腦就負責(zé)建立3D游戲畫面并進行渲染，在上述虛擬高臺例子中，這個虛擬場景同樣是通過電腦來建模的（圖3）。

顯示設(shè)備則用于向用戶呈現(xiàn)3D顯示效果，不過為了獲得更好的現(xiàn)實環(huán)境代入感，現(xiàn)在的虛擬顯示設(shè)備大多集成了顯示設(shè)備，比如Oculus Rift虛擬現(xiàn)實眼鏡鏡面上方就是一塊1280×800 的LCD（圖4）。

因為在電腦上顯示3D是左右畫面，因此虛擬顯示設(shè)備中還有一副合成3D畫面的眼鏡，這樣電腦上的虛擬高臺同步傳輸?shù)教摂M頭盔的LCD上后，用戶看到的就是一幅真實的高臺場景。

定位設(shè)備則用于用戶確定虛擬3D環(huán)境中的位置，在3D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)，我們看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來確定的。因此在虛擬顯示設(shè)備中，定位是通過頭盔中慣性傳感器來捕捉頭部運動以改變圖像的視角，這樣用戶的視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來，感覺更逼真（圖5）。

在虛擬高臺例子中，用戶通過移動腳步和頭部，慣性追蹤器就會追蹤到這些變化，并在3D場景中實時改變場景，讓用戶有更為真實的環(huán)境代入感。

交互設(shè)備則用于用戶和虛擬環(huán)境的交互操作，在虛擬高臺例子中，如果高臺上有扶手，當(dāng)系統(tǒng)追蹤到用戶的手是放在扶手位置時，設(shè)備就可以給用戶一個真實的反饋。在虛擬現(xiàn)實設(shè)備中，物體觸摸反饋通過傳感器完成，常見的設(shè)備如數(shù)據(jù)手套，在這種手套中設(shè)有各種傳感器，可以將虛擬中的觸摸轉(zhuǎn)換為真實的體驗（圖6）。

通過電腦建模生成虛擬3D場景→同步顯示到虛擬現(xiàn)實設(shè)備并通過3D眼鏡展示在用戶眼前→慣性傳感器捕捉用戶位置變化，同步調(diào)整虛擬場景→使用數(shù)據(jù)手套反饋用戶觸摸。這樣用戶就可以感知到一個真實的虛擬場景，并獲得和現(xiàn)實生活中一樣的體驗。

廉價版虛擬現(xiàn)實設(shè)備

——谷歌Cardboard

通過上述介紹可以知道，一套虛擬設(shè)備構(gòu)造較為復(fù)雜，而且涉及到顯示、追蹤、定位、反饋等多個環(huán)節(jié)，因此設(shè)備的造價也比較昂貴。為此，谷歌另辟蹊徑推出廉價版的Cardboard，它的主要材料是再生紙板盒，但是卻可以將智能手機變成一個虛擬現(xiàn)實的原型設(shè)備。它的原理也很簡單，主要就是通過光學(xué)結(jié)構(gòu)造成虛擬距離。在手機上安裝相應(yīng)的應(yīng)用后，它會將手機畫面預(yù)扭曲，接著再通過Cardboard里的凸透鏡恢復(fù)變形，從而產(chǎn)生了虛擬焦距，讓手機畫面呈現(xiàn)立體顯示（圖7）。

虛擬現(xiàn)實帶給我們什么

顯然虛擬現(xiàn)實設(shè)備的普及可以給我們的生活帶來極大的影響，比如在射擊游戲中，我們可以帶著虛擬頭盔，手握虛擬AK47，然后在完全真實的游戲環(huán)境中，或射擊，或躲閃，或躍起進攻，這種真實的游戲感覺絕對是每個游戲迷追求的終極目標(biāo)。

同樣的在生活中，也可以用虛擬現(xiàn)實設(shè)備來為自己的新家做設(shè)計，比如你可以按自己的意愿在電腦上設(shè)計好新家的裝修，然后戴上虛擬現(xiàn)實設(shè)備在其中漫步，看看哪里的設(shè)計有瑕疵。而在駕考的培訓(xùn)中，你則可以戴上虛擬現(xiàn)實設(shè)備在“真實”公路上駕駛。

不過，虛擬現(xiàn)實設(shè)備也并非完美無瑕，首先由于技術(shù)的限制，目前設(shè)備顯示效果、實時追蹤定位、觸控反饋體驗都還不足。其次，虛擬3D效果由于人體生理結(jié)構(gòu)的限制，長時間使用后大部分人還是會產(chǎn)生眩暈現(xiàn)象，這一切尚有待改進。

科技掃盲——認識虛擬現(xiàn)實設(shè)備

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）是近年來出現(xiàn)的高新技。從字面理解就是一種通過虛擬設(shè)備模擬出現(xiàn)實環(huán)境的設(shè)備，它借助電腦、手機等設(shè)備模擬出一個立體三維空間，通過對人的視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶在虛擬世界里感受到一種極度真實的現(xiàn)實感。

從視覺效果上來說，虛擬現(xiàn)實設(shè)備和我們之前介紹的3D顯示有些類似，但是3D顯示只是模擬出一種3D立體視覺效果，虛擬現(xiàn)實設(shè)備則在此基礎(chǔ)上融入了各種交互體驗，讓使用者有更加逼真的全方位立體感受。比如根據(jù)試用者的描述，用戶戴上Oculus公司的虛擬頭盔后，它可在一個房間里模擬出一個非常真實的高臺環(huán)境，用戶雖然是站在房間的平地上，但是根本不敢在這個虛擬高臺上往下跳（實際跳躍只是彎腿并“跳”在平地上），因為這個模擬的虛擬環(huán)境實在太真實了（圖2）。

解密VR——虛擬現(xiàn)實設(shè)備怎么實現(xiàn)現(xiàn)實效果

虛擬環(huán)境畢竟還是“虛”的，它是怎么實現(xiàn)如此逼真的模擬呢？這里以上述虛擬高臺為例。

首先了解一下虛擬現(xiàn)實設(shè)備的組成，一套虛擬設(shè)備主要包括建模設(shè)備、顯示設(shè)備、定位設(shè)備和交互設(shè)備，四種設(shè)備各司其職。其中建模設(shè)備主要用于獲取物體外表面的三維坐標(biāo)及物體的三維數(shù)字化模型，在虛擬現(xiàn)實設(shè)備中主要通過電腦渲染完成。比如在虛擬現(xiàn)實游戲中，其中電腦就負責(zé)建立3D游戲畫面并進行渲染，在上述虛擬高臺例子中，這個虛擬場景同樣是通過電腦來建模的（圖3）。

顯示設(shè)備則用于向用戶呈現(xiàn)3D顯示效果，不過為了獲得更好的現(xiàn)實環(huán)境代入感，現(xiàn)在的虛擬顯示設(shè)備大多集成了顯示設(shè)備，比如Oculus Rift虛擬現(xiàn)實眼鏡鏡面上方就是一塊1280×800 的LCD（圖4）。

因為在電腦上顯示3D是左右畫面，因此虛擬顯示設(shè)備中還有一副合成3D畫面的眼鏡，這樣電腦上的虛擬高臺同步傳輸?shù)教摂M頭盔的LCD上后，用戶看到的就是一幅真實的高臺場景。

定位設(shè)備則用于用戶確定虛擬3D環(huán)境中的位置，在3D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)，我們看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來確定的。因此在虛擬顯示設(shè)備中，定位是通過頭盔中慣性傳感器來捕捉頭部運動以改變圖像的視角，這樣用戶的視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來，感覺更逼真（圖5）。

在虛擬高臺例子中，用戶通過移動腳步和頭部，慣性追蹤器就會追蹤到這些變化，并在3D場景中實時改變場景，讓用戶有更為真實的環(huán)境代入感。

交互設(shè)備則用于用戶和虛擬環(huán)境的交互操作，在虛擬高臺例子中，如果高臺上有扶手，當(dāng)系統(tǒng)追蹤到用戶的手是放在扶手位置時，設(shè)備就可以給用戶一個真實的反饋。在虛擬現(xiàn)實設(shè)備中，物體觸摸反饋通過傳感器完成，常見的設(shè)備如數(shù)據(jù)手套，在這種手套中設(shè)有各種傳感器，可以將虛擬中的觸摸轉(zhuǎn)換為真實的體驗（圖6）。

通過電腦建模生成虛擬3D場景→同步顯示到虛擬現(xiàn)實設(shè)備并通過3D眼鏡展示在用戶眼前→慣性傳感器捕捉用戶位置變化，同步調(diào)整虛擬場景→使用數(shù)據(jù)手套反饋用戶觸摸。這樣用戶就可以感知到一個真實的虛擬場景，并獲得和現(xiàn)實生活中一樣的體驗。

廉價版虛擬現(xiàn)實設(shè)備

——谷歌Cardboard

通過上述介紹可以知道，一套虛擬設(shè)備構(gòu)造較為復(fù)雜，而且涉及到顯示、追蹤、定位、反饋等多個環(huán)節(jié)，因此設(shè)備的造價也比較昂貴。為此，谷歌另辟蹊徑推出廉價版的Cardboard，它的主要材料是再生紙板盒，但是卻可以將智能手機變成一個虛擬現(xiàn)實的原型設(shè)備。它的原理也很簡單，主要就是通過光學(xué)結(jié)構(gòu)造成虛擬距離。在手機上安裝相應(yīng)的應(yīng)用后，它會將手機畫面預(yù)扭曲，接著再通過Cardboard里的凸透鏡恢復(fù)變形，從而產(chǎn)生了虛擬焦距，讓手機畫面呈現(xiàn)立體顯示（圖7）。

虛擬現(xiàn)實帶給我們什么

顯然虛擬現(xiàn)實設(shè)備的普及可以給我們的生活帶來極大的影響，比如在射擊游戲中，我們可以帶著虛擬頭盔，手握虛擬AK47，然后在完全真實的游戲環(huán)境中，或射擊，或躲閃，或躍起進攻，這種真實的游戲感覺絕對是每個游戲迷追求的終極目標(biāo)。

同樣的在生活中，也可以用虛擬現(xiàn)實設(shè)備來為自己的新家做設(shè)計，比如你可以按自己的意愿在電腦上設(shè)計好新家的裝修，然后戴上虛擬現(xiàn)實設(shè)備在其中漫步，看看哪里的設(shè)計有瑕疵。而在駕考的培訓(xùn)中，你則可以戴上虛擬現(xiàn)實設(shè)備在“真實”公路上駕駛。

不過，虛擬現(xiàn)實設(shè)備也并非完美無瑕，首先由于技術(shù)的限制，目前設(shè)備顯示效果、實時追蹤定位、觸控反饋體驗都還不足。其次，虛擬3D效果由于人體生理結(jié)構(gòu)的限制，長時間使用后大部分人還是會產(chǎn)生眩暈現(xiàn)象，這一切尚有待改進。

科技掃盲——認識虛擬現(xiàn)實設(shè)備

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）是近年來出現(xiàn)的高新技。從字面理解就是一種通過虛擬設(shè)備模擬出現(xiàn)實環(huán)境的設(shè)備，它借助電腦、手機等設(shè)備模擬出一個立體三維空間，通過對人的視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶在虛擬世界里感受到一種極度真實的現(xiàn)實感。

從視覺效果上來說，虛擬現(xiàn)實設(shè)備和我們之前介紹的3D顯示有些類似，但是3D顯示只是模擬出一種3D立體視覺效果，虛擬現(xiàn)實設(shè)備則在此基礎(chǔ)上融入了各種交互體驗，讓使用者有更加逼真的全方位立體感受。比如根據(jù)試用者的描述，用戶戴上Oculus公司的虛擬頭盔后，它可在一個房間里模擬出一個非常真實的高臺環(huán)境，用戶雖然是站在房間的平地上，但是根本不敢在這個虛擬高臺上往下跳（實際跳躍只是彎腿并“跳”在平地上），因為這個模擬的虛擬環(huán)境實在太真實了（圖2）。

解密VR——虛擬現(xiàn)實設(shè)備怎么實現(xiàn)現(xiàn)實效果

虛擬環(huán)境畢竟還是“虛”的，它是怎么實現(xiàn)如此逼真的模擬呢？這里以上述虛擬高臺為例。

首先了解一下虛擬現(xiàn)實設(shè)備的組成，一套虛擬設(shè)備主要包括建模設(shè)備、顯示設(shè)備、定位設(shè)備和交互設(shè)備，四種設(shè)備各司其職。其中建模設(shè)備主要用于獲取物體外表面的三維坐標(biāo)及物體的三維數(shù)字化模型，在虛擬現(xiàn)實設(shè)備中主要通過電腦渲染完成。比如在虛擬現(xiàn)實游戲中，其中電腦就負責(zé)建立3D游戲畫面并進行渲染，在上述虛擬高臺例子中，這個虛擬場景同樣是通過電腦來建模的（圖3）。

顯示設(shè)備則用于向用戶呈現(xiàn)3D顯示效果，不過為了獲得更好的現(xiàn)實環(huán)境代入感，現(xiàn)在的虛擬顯示設(shè)備大多集成了顯示設(shè)備，比如Oculus Rift虛擬現(xiàn)實眼鏡鏡面上方就是一塊1280×800 的LCD（圖4）。

因為在電腦上顯示3D是左右畫面，因此虛擬顯示設(shè)備中還有一副合成3D畫面的眼鏡，這樣電腦上的虛擬高臺同步傳輸?shù)教摂M頭盔的LCD上后，用戶看到的就是一幅真實的高臺場景。

定位設(shè)備則用于用戶確定虛擬3D環(huán)境中的位置，在3D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)，我們看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來確定的。因此在虛擬顯示設(shè)備中，定位是通過頭盔中慣性傳感器來捕捉頭部運動以改變圖像的視角，這樣用戶的視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來，感覺更逼真（圖5）。

在虛擬高臺例子中，用戶通過移動腳步和頭部，慣性追蹤器就會追蹤到這些變化，并在3D場景中實時改變場景，讓用戶有更為真實的環(huán)境代入感。

交互設(shè)備則用于用戶和虛擬環(huán)境的交互操作，在虛擬高臺例子中，如果高臺上有扶手，當(dāng)系統(tǒng)追蹤到用戶的手是放在扶手位置時，設(shè)備就可以給用戶一個真實的反饋。在虛擬現(xiàn)實設(shè)備中，物體觸摸反饋通過傳感器完成，常見的設(shè)備如數(shù)據(jù)手套，在這種手套中設(shè)有各種傳感器，可以將虛擬中的觸摸轉(zhuǎn)換為真實的體驗（圖6）。

通過電腦建模生成虛擬3D場景→同步顯示到虛擬現(xiàn)實設(shè)備并通過3D眼鏡展示在用戶眼前→慣性傳感器捕捉用戶位置變化，同步調(diào)整虛擬場景→使用數(shù)據(jù)手套反饋用戶觸摸。這樣用戶就可以感知到一個真實的虛擬場景，并獲得和現(xiàn)實生活中一樣的體驗。

廉價版虛擬現(xiàn)實設(shè)備

——谷歌Cardboard

通過上述介紹可以知道，一套虛擬設(shè)備構(gòu)造較為復(fù)雜，而且涉及到顯示、追蹤、定位、反饋等多個環(huán)節(jié)，因此設(shè)備的造價也比較昂貴。為此，谷歌另辟蹊徑推出廉價版的Cardboard，它的主要材料是再生紙板盒，但是卻可以將智能手機變成一個虛擬現(xiàn)實的原型設(shè)備。它的原理也很簡單，主要就是通過光學(xué)結(jié)構(gòu)造成虛擬距離。在手機上安裝相應(yīng)的應(yīng)用后，它會將手機畫面預(yù)扭曲，接著再通過Cardboard里的凸透鏡恢復(fù)變形，從而產(chǎn)生了虛擬焦距，讓手機畫面呈現(xiàn)立體顯示（圖7）。

虛擬現(xiàn)實帶給我們什么

顯然虛擬現(xiàn)實設(shè)備的普及可以給我們的生活帶來極大的影響，比如在射擊游戲中，我們可以帶著虛擬頭盔，手握虛擬AK47，然后在完全真實的游戲環(huán)境中，或射擊，或躲閃，或躍起進攻，這種真實的游戲感覺絕對是每個游戲迷追求的終極目標(biāo)。

同樣的在生活中，也可以用虛擬現(xiàn)實設(shè)備來為自己的新家做設(shè)計，比如你可以按自己的意愿在電腦上設(shè)計好新家的裝修，然后戴上虛擬現(xiàn)實設(shè)備在其中漫步，看看哪里的設(shè)計有瑕疵。而在駕考的培訓(xùn)中，你則可以戴上虛擬現(xiàn)實設(shè)備在“真實”公路上駕駛。

不過，虛擬現(xiàn)實設(shè)備也并非完美無瑕，首先由于技術(shù)的限制，目前設(shè)備顯示效果、實時追蹤定位、觸控反饋體驗都還不足。其次，虛擬3D效果由于人體生理結(jié)構(gòu)的限制，長時間使用后大部分人還是會產(chǎn)生眩暈現(xiàn)象，這一切尚有待改進。