虛擬現(xiàn)實(shí)現(xiàn)狀綜述和關(guān)鍵技術(shù)研究

［武娟 劉曉軍 龐濤 錢鋒 陳學(xué)亮］

虛擬現(xiàn)實(shí)現(xiàn)狀綜述和關(guān)鍵技術(shù)研究

［武娟 劉曉軍 龐濤 錢鋒 陳學(xué)亮］

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）以其沉浸式體驗(yàn)帶來(lái)了全新的人機(jī)交互革命，被認(rèn)為是繼電腦和智能手機(jī)后下一代計(jì)算平臺(tái)。概述了VR技術(shù)的發(fā)展歷程、產(chǎn)品形態(tài)、組成結(jié)構(gòu)等，并深入研究其技術(shù)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)等，為科技人員全面了解VR技術(shù)發(fā)展和選取研究方向提供參考和借鑒。

虛擬現(xiàn)實(shí) 圖形渲染 定位技術(shù)

武娟

碩士，中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院，高級(jí)工程師，主任，主要研究方向?yàn)樵朴?jì)算、互聯(lián)網(wǎng)及電信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、互動(dòng)新媒體技術(shù)等。

劉曉軍

碩士，中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院，工程師，主要研究方向?yàn)樵朴?jì)算、互動(dòng)媒體技術(shù)、應(yīng)用虛擬化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等。

龐濤

碩士，中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院，工程師，主要研究方向?yàn)闃I(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、云計(jì)算等。

錢鋒

碩士，中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院，工程師，主要研究方向?yàn)榛?dòng)新媒體技術(shù)、云游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在游戲領(lǐng)域的應(yīng)用等。

陳學(xué)亮

中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院。

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR），綜合利用了圖形渲染技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、并行處理技術(shù)、屏顯技術(shù)和定位技術(shù)等，生成具備真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)的三維互動(dòng)沉浸式環(huán)境。

VR概念由來(lái)已久，早在1960年就開(kāi)始萌芽，1989年美國(guó)JaronLanier正式提出虛擬現(xiàn)實(shí)概念。1980至1990年代，NASA推出了實(shí)驗(yàn)性頭盔、耳機(jī)、手套等VR初級(jí)設(shè)備，但受制于當(dāng)時(shí)芯片技術(shù)和加工工藝，需要采用昂貴的專業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，無(wú)法面向民用市場(chǎng)普及，主要應(yīng)用于軍事訓(xùn)練、飛機(jī)制造、航空航天等專業(yè)領(lǐng)域。

2014年以來(lái)，隨著芯片技術(shù)發(fā)展和制造工藝水準(zhǔn)提升，消費(fèi)級(jí)GPU圖形渲染能力突飛猛進(jìn)，而且具備基于GPU底層的編程能力，奠定了VR進(jìn)入民用市場(chǎng)的基礎(chǔ)。2014年3月26日，F(xiàn)acebook以 20億美元收購(gòu)了Oculus，成為行業(yè)的助推器和引爆點(diǎn)。全球VR設(shè)備公司猶如雨后春筍般層出不窮，資本市場(chǎng)億元投資與并購(gòu)異?；馃帷＝?年來(lái)，國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)了數(shù)百家VR公司，先后推出了不下20～30款的VR設(shè)備產(chǎn)品，涵蓋了PC主機(jī)+頭盔、手機(jī)+頭盔和一體機(jī)等3種主流產(chǎn)品形態(tài)。

VR技術(shù)深受GPU巨頭、PC服務(wù)器廠商追捧，作為繼鼠標(biāo)+鍵盤、觸屏人機(jī)交互后，又一次跨時(shí)代革新，被寄予厚望成為新一代的計(jì)算平臺(tái)。在PC市場(chǎng)低迷、智能手機(jī)平穩(wěn)的背景下，視為重塑IT行業(yè)全新的產(chǎn)品形態(tài)和發(fā)展領(lǐng)域。

本文基于作者多年來(lái)對(duì)VR技術(shù)的追蹤和研究，從技術(shù)角度全面剖析其產(chǎn)品形態(tài)、功能架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等。其中第2節(jié)VR產(chǎn)品與現(xiàn)狀，講述VR產(chǎn)品組成、形態(tài)和性能參數(shù)等；第3節(jié)VR技術(shù)流程與框架，講述VR技術(shù)流程和技術(shù)框架；第4節(jié)VR關(guān)鍵技術(shù)研究，講述VR渲染、屏顯、定位等關(guān)鍵技術(shù)；第5節(jié)最后小結(jié)全文，分析技術(shù)走向和未來(lái)趨勢(shì)。

圖1 VR產(chǎn)品組成

2 VR產(chǎn)品與現(xiàn)狀

2.1 VR產(chǎn)品組成

VR產(chǎn)品包括計(jì)算設(shè)備、展示終端和輔助設(shè)備等3部分。計(jì)算設(shè)備，作為VR的計(jì)算核心，實(shí)現(xiàn)VR應(yīng)用邏輯運(yùn)算、圖形渲染、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理等，基于GPU/CPU硬件和虛擬現(xiàn)實(shí)軟件體系，實(shí)現(xiàn)VR應(yīng)用圖形化計(jì)算輸出；展示終端，一般以頭盔模式呈現(xiàn)，包括顯示屏幕、光學(xué)鏡片、陀螺儀等，實(shí)現(xiàn)將計(jì)算設(shè)備輸出的VR應(yīng)用在用戶面前顯示出來(lái)；輔助設(shè)備，包括各種動(dòng)作捕捉、手勢(shì)識(shí)別、定位感應(yīng)等設(shè)備，通過(guò)對(duì)用戶位置鎖定，位置和手勢(shì)判斷等，完成沉浸式用戶操控。

VR的產(chǎn)品形態(tài)，主要根據(jù)其各自計(jì)算設(shè)備組成來(lái)劃分，一般包括PC/游戲主機(jī)、手機(jī)/PAD+頭盔、一體機(jī)等。

（1）PC/游戲主機(jī)+頭盔：作為當(dāng)前最主流的VR產(chǎn)品形式，依靠外接PC/游戲主機(jī)作為計(jì)算設(shè)備，頭盔主要完成圖像顯示、光學(xué)處理以及輔助設(shè)備鏈接等。相應(yīng)的PC主機(jī)，主要是指配置了高端消費(fèi)級(jí)顯卡和CPU的電腦主機(jī)；游戲主機(jī)是指用于鏈接電視運(yùn)行視頻游戲的運(yùn)行設(shè)備，包括PS 4和XBOX等。該種產(chǎn)品形態(tài)具有如下的優(yōu)缺點(diǎn)：

① 優(yōu)點(diǎn)：基于成熟的計(jì)算平臺(tái)（PC主機(jī)、游戲主機(jī)），計(jì)算能力較強(qiáng)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)難度較低，VR設(shè)備（主要頭盔部分）不用考慮計(jì)算部分。

② 不足：價(jià)格較高，一臺(tái)滿足要求的PC主機(jī)動(dòng)輒上萬(wàn)元，加上頭盔+輔助設(shè)備，總共突破1.4萬(wàn)元以上，尚未達(dá)到市場(chǎng)普及的價(jià)位；受限于必須有線連接模式，局限于固定使用場(chǎng)景，無(wú)法移動(dòng)化也影響到其靈活性。

③ 代表產(chǎn)品：Oculus、HTC VIVE、3Gclass、PS VR等

（2）手機(jī)/PAD+頭盔：借助手機(jī)/PAD作為計(jì)算設(shè)備，并應(yīng)用手機(jī)/PAD內(nèi)置陀螺儀定位和屏幕顯示，頭盔僅內(nèi)置光學(xué)鏡片、用于手機(jī)/PAD固定裝置和其他效果增強(qiáng)系統(tǒng)等。該種產(chǎn)品形態(tài)具有如下的優(yōu)缺點(diǎn)：

① 優(yōu)點(diǎn)：具有移動(dòng)屬性，價(jià)格相對(duì)較低，一般介于30～1000元，適合作為高端移動(dòng)設(shè)備附屬產(chǎn)品，具有普及優(yōu)勢(shì)。

② 不足：受限于手機(jī)/PAD處理能力，VR應(yīng)用效果較差、無(wú)法提供精準(zhǔn)定位和優(yōu)質(zhì)手勢(shì)控制等操控。

③ 代表產(chǎn)品：三星Gear VR、暴風(fēng)魔鏡等。

（3）一體機(jī)：將計(jì)算設(shè)備內(nèi)置于VR頭盔中，直接由頭盔完成從邏輯運(yùn)算、3D圖形渲染到屏幕展示的一體化功能。頭盔不僅需要內(nèi)置顯示屏幕、光學(xué)鏡片、陀螺儀等感應(yīng)設(shè)備，而且需要內(nèi)置計(jì)算芯片。該種產(chǎn)品形態(tài)具有如下的優(yōu)缺點(diǎn)：

① 優(yōu)點(diǎn)：具有移動(dòng)屬性，價(jià)格相對(duì)較為合理，一般3000元左右，達(dá)到市場(chǎng)可接受的程度。

② 不足：受限內(nèi)置芯片能力、電池耗電和發(fā)熱等因素，顯示效果相對(duì)PC主機(jī)+頭盔有所欠缺，用戶佩戴體驗(yàn)存在不足，使用時(shí)長(zhǎng)有所局限。

③ 代表產(chǎn)品：靈境小黑、暴風(fēng)魔王、星輪等。

一體機(jī)模式，是采用PC/主機(jī)+頭盔和手機(jī)/PAD+頭盔折中的方法，一般基于主流的移動(dòng)芯片，相對(duì)而言存在處理能力上的缺陷與不足，目前主要是國(guó)內(nèi)數(shù)十家廠商在嘗試；國(guó)外廠商主要集中于PC/游戲主機(jī)+頭盔模式。

國(guó)外市場(chǎng)，尤其歐美市場(chǎng)受眾于視頻游戲愛(ài)好者，而且價(jià)格敏感性不高，PC/主機(jī)+頭盔模式將成為主要產(chǎn)品形態(tài)；國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，價(jià)格敏感性較高，未來(lái)很可能需要高端手機(jī)免費(fèi)贈(zèng)送VR設(shè)備的模式加以普及。

2.2 VR產(chǎn)品性能參數(shù)

VR本質(zhì)是構(gòu)建一個(gè)模擬真實(shí)環(huán)境的虛擬3D世界，并給予用戶沉浸式（手勢(shì)、聲音、眼球）等操控的創(chuàng)新人機(jī)交互過(guò)程。計(jì)算部分，不管是PC/游戲主機(jī)、手機(jī)終端或自帶芯片，都是采用市面常見(jiàn)的固網(wǎng)或移動(dòng)通用芯片，并主要由Intel、Nvidia、高通、海思等提供，并非是VR廠商及VR產(chǎn)品主要側(cè)重的領(lǐng)域。相反作為顯示能力展現(xiàn)的VR頭盔，則成為VR廠商體現(xiàn)能力和技術(shù)水平的主戰(zhàn)場(chǎng)。因此VR產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)參數(shù)，也主要是集中于顯示部分，不過(guò)某種程度上也體現(xiàn)了相應(yīng)VR計(jì)算設(shè)備的計(jì)算能力。

（1）分辨率：分辨率是衡量顯示屏幕最重要參數(shù)之一，不過(guò)存在屏幕尺寸大小不一的現(xiàn)象，因此該參數(shù)無(wú)法單一準(zhǔn)確展現(xiàn)顯示效果優(yōu)劣，需要考慮屏幕尺寸等其他因素。目前常見(jiàn)的VR頭盔1080P是最低配置，一般都要達(dá)到2K，甚至4K水準(zhǔn)。

（2）刷新率：作為電子束對(duì)屏幕上的圖像重復(fù)掃描的次數(shù)的指標(biāo)，直接影響模擬環(huán)境的代入感，60Hz是最低要求，優(yōu)秀的產(chǎn)品達(dá)到75～100Hz。

（3）延遲：是指從用戶頭部移動(dòng)開(kāi)始，一直到顯示的光學(xué)信號(hào)映射到人眼，并被用戶感知的等待時(shí)間（latency time）。延遲會(huì)影響用戶注意力，較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生眩暈?！?0ms即為行業(yè)最低的要求，也是不產(chǎn)生眩暈感的基本要求。

（4）PPI （Pixels Per Inch）：每英寸所擁有的像素?cái)?shù)量，數(shù)值越高，擬真度就越高。圖像擬真度，是用戶大腦通過(guò)視覺(jué)體現(xiàn)認(rèn)可的虛擬真實(shí)性主要基礎(chǔ)。如其數(shù)值不高，虛擬場(chǎng)景沒(méi)有代入感，加上大腦對(duì)人體位置、動(dòng)作等失配判斷，就很難實(shí)現(xiàn)沉浸效果。

表1給出了市面上具有代表性的VR設(shè)備的相關(guān)參數(shù)對(duì)比及芯片的主要組成。其中Oculus Rift DK2是PC主機(jī)+頭盔的產(chǎn)品形態(tài)，PS VR是游戲主機(jī)+頭盔的產(chǎn)品形態(tài)，三星 Gear VR是典型的手機(jī)+頭盔的產(chǎn)品形態(tài)，靈境小黑是VR一體機(jī)的產(chǎn)品形態(tài)。

表1 主流VR產(chǎn)品性能參數(shù)屬性

VR設(shè)備相關(guān)參數(shù)能力的提升，除了必須依賴于底層芯片計(jì)算設(shè)備的能力外，還需要屏顯、定位等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展，該部分內(nèi)容將在后續(xù)章節(jié)展開(kāi)。

3 VR技術(shù)流程與框架

3.1 VR技術(shù)流程

VR的技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，是以用戶角度展開(kāi)，從發(fā)起VR服務(wù)請(qǐng)求開(kāi)始，到完成沉浸式互動(dòng)，并將虛擬環(huán)境在用戶面前展現(xiàn)成功為結(jié)束。

整個(gè)VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，主要包括如下主要節(jié)點(diǎn)：

（1）監(jiān)測(cè)與傳感：對(duì)用戶發(fā)起VR請(qǐng)求的事件進(jìn)行反饋，通過(guò)陀螺儀、定位傳感器等設(shè)備感知用戶頭部當(dāng)前位置和視覺(jué)范圍等，為實(shí)現(xiàn)與顯示出來(lái)的虛擬環(huán)境對(duì)應(yīng)提供依據(jù)。

圖2 VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程

（2）虛擬環(huán)境生成：該部分主要由VR PC/游戲主機(jī)、手機(jī)等計(jì)算設(shè)備完成。為了達(dá)到比較優(yōu)質(zhì)的VR虛擬環(huán)境，渲染的圖像是一般游戲的8倍以上，因此需要預(yù)先處理。首先通過(guò)圖形模塊間的邏輯關(guān)系和對(duì)應(yīng)算法，初步完成建模；接著主要基于GPU并行能力完成圖形的渲染；最后根據(jù)用戶視覺(jué)范圍，對(duì)應(yīng)生成適合用戶要求的虛擬世界。

（3）虛擬環(huán)境展示：主要由顯示頭盔完成，借助頭盔屏幕或手機(jī)屏幕實(shí)現(xiàn)將渲染出來(lái)的虛擬環(huán)境顯示出來(lái)，依靠?jī)?nèi)置光學(xué)鏡頭和相應(yīng)光學(xué)算法，實(shí)現(xiàn)二維圖像的三維化和廣角立體化。該部分實(shí)現(xiàn)的用戶視覺(jué)廣度、刷新率以及顯示延遲等，都直接影響到用戶的感知，避免用戶眩暈是關(guān)鍵所在。

（4）多元互動(dòng)模式：構(gòu)建了現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界之間的人機(jī)交互機(jī)制，包括各種智能化的傳感器、定位機(jī)制和普通的操控手柄等。傳感器中陀螺儀是較為核心的部件，內(nèi)置頭盔中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶頭部運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)變化，以便實(shí)現(xiàn)虛擬畫面與用戶視角的一致性；用于手勢(shì)識(shí)別、動(dòng)作捕捉的各種傳感器及操控手柄等，用于采集用戶操控，并與虛擬環(huán)境完成交互。

上述四大節(jié)點(diǎn)，除了第2點(diǎn)虛擬環(huán)境生成主要由VR計(jì)算設(shè)備實(shí)現(xiàn)外，其他主要環(huán)節(jié)均由VR頭顯實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)于國(guó)內(nèi)外VR廠商而言，其研發(fā)的重點(diǎn)和主要的產(chǎn)品形態(tài)也是集中于VR頭顯部分。

3.2 VR技術(shù)框架

VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)是以現(xiàn)有的機(jī)器計(jì)算、圖像渲染能力為基礎(chǔ)，當(dāng)前VR產(chǎn)業(yè)爆發(fā)也是基于消費(fèi)級(jí)芯片，尤其是GPU處理能力成倍提升；借助OLED、LCD等屏幕技術(shù)發(fā)展，并輔助光學(xué)立體成像技術(shù)和算法，實(shí)現(xiàn)三維立體化輸出；依靠激光定位技術(shù)、人體追蹤等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界的互動(dòng)交互。VR整體技術(shù)框架如圖3所示。

圖3 VR技術(shù)框架

（1）計(jì)算設(shè)備：基于智能化操作系統(tǒng)、底層芯片能力訪問(wèn)的驅(qū)動(dòng)接口，采用Unity3D、Unreal等支持VR渲染的中間件，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的邏輯計(jì)算和圖像渲染。

① 邏輯運(yùn)算：處理VR計(jì)算過(guò)程中各種邏輯關(guān)系和算法，包括應(yīng)用啟動(dòng)、圖形拼接關(guān)系、數(shù)值屬性、操控反饋邏輯、眼球聚焦運(yùn)算等，為VR奠定邏輯基礎(chǔ)。

② 圖形渲染：隨著GPU核心數(shù)量、顯存能力不斷提升，其圖形渲染成倍增長(zhǎng)，具備了支撐8*4K圖形的同時(shí)渲染運(yùn)算能力，為VR發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。該部分是計(jì)算設(shè)備的核心部分，也是VR得以發(fā)展的技術(shù)保證。

（2）展示設(shè)備：依托高清屏顯技術(shù)發(fā)展，將渲染出來(lái)的虛擬場(chǎng)景清晰化輸出，并依靠立體光學(xué)成像實(shí)現(xiàn)三維立體化，借助陀螺儀等設(shè)備追蹤用戶頭部位置變化實(shí)現(xiàn)視野范圍和角度更新。

① 屏顯技術(shù)：業(yè)界分為OLED、LCD兩大不同陣營(yíng)，其中國(guó)際大廠主推OLED，國(guó)內(nèi)主流廠商傾向于LCD。兩種材質(zhì)各有所長(zhǎng)，后續(xù)章節(jié)中將重點(diǎn)剖析。

② 頭部定位：該部分技術(shù)較為成熟，直接來(lái)源于智能手機(jī)陀螺儀技術(shù)延伸，只不過(guò)相關(guān)刷新率要求達(dá)到1kHz以上。

③ 立體光學(xué)成像：一般采用雙面立體成像法，采用兩個(gè)非球面鏡片和兩眼分離機(jī)制，并輔助相應(yīng)的光學(xué)算法實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的立體三維化，并具有空間感。

（3）輔助設(shè)備：即包括傳統(tǒng)手柄方式力反饋輸入，又包括各種光學(xué)傳感器智能化定位和手眼追蹤等。

① 位置定位：包括采用攝像頭+感應(yīng)光點(diǎn)的可視光定位和采用激光+激光感應(yīng)器的定位等多種方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)采用VR活動(dòng)的人體前后左右上下的全維度肢體跟蹤和動(dòng)作掃描。

② 手眼跟蹤：手勢(shì)跟蹤部分，一般采用Xbox Kinnet等體感相似的處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶手勢(shì)變化實(shí)時(shí)判斷，并轉(zhuǎn)化成為VR應(yīng)用操控方法。人眼跟蹤主要是通過(guò)對(duì)人眼球轉(zhuǎn)動(dòng)精確獲取，從而判斷用戶的操控意圖，該技術(shù)目前還在發(fā)展過(guò)程中，尚未成熟。

③ 觸覺(jué)、力反饋：該部分屬于VR應(yīng)用對(duì)操控輸入反饋輸出部分，普通包括手柄上力反饋；以及與騎行、飛行等應(yīng)用相關(guān)的觸覺(jué)、人體位置的反饋等。

下一章將集中針對(duì)VR渲染技術(shù)、屏顯技術(shù)和定位技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和剖析。

4 VR關(guān)鍵技術(shù)研究

VR技術(shù)呈現(xiàn)以渲染能力提升和技術(shù)發(fā)展為基礎(chǔ)，屏顯技術(shù)完善為展現(xiàn)依托，豐富的智能定位技術(shù)為互動(dòng)保證，虛化了虛擬世界和真實(shí)世界的界限，使之達(dá)到某種程度上的融合。

4.1 VR渲染技術(shù)

雖然GPU處理能力得到了迅猛提升，但還存在處理能力和價(jià)格高企的普及瓶頸。當(dāng)前主要的技術(shù)研究方向，都集中在降低GPU消耗的基礎(chǔ)上，確保更多的計(jì)算平臺(tái)具有支持VR的能力。Nvidia推出了MRS（multi-resolution shading），即多重分辨率著色渲染技術(shù)，采用分區(qū)域差別分辨率的方法，降低消耗；為了提升精確度，國(guó)內(nèi)外廠商分別提出相似的解決方案，其中典型代表為國(guó)內(nèi)某公司研發(fā)的焦點(diǎn)渲染（Foveated rendering）技術(shù)。

（1）多重分辨率著色渲染技術(shù)：采用將將整體渲染畫面分區(qū)域模式，按照從中央到兩邊采用不同的分辨率方法，降低GPU渲染壓力。

① 技術(shù)原理：MRS技術(shù)不再將整個(gè)畫面以相同的分辨率渲染，而是分區(qū)域采用差異化處理，人眼看到的主要中央?yún)^(qū)域，以完整的高分辨率，邊緣則以更低質(zhì)量進(jìn)行渲染。

② 硬件支持：使用Nvidia Maxwell架構(gòu)的顯卡，包括GeForce Titan X和GTX 900等系列

③ 應(yīng)用效果：據(jù)稱效率提高大概50%左右，如原來(lái)渲染90幀/秒，采用MRS技術(shù)可以做到140幀/秒左右

（2）焦點(diǎn)渲染技術(shù)：主要針對(duì)多重分辨率著色渲染技術(shù)渲染區(qū)域劃分較為粗糙，采用眼球追蹤技術(shù)使之精細(xì)化。

① 技術(shù)原理：在MRS基礎(chǔ)之上，使用眼球追蹤技術(shù)開(kāi)發(fā)出以人眼關(guān)注的焦點(diǎn)區(qū)域采用高分辨率，其他區(qū)域逐步從焦點(diǎn)向外遞減的渲染技術(shù)，進(jìn)一步縮小高清渲染的范圍，并且提升用戶體驗(yàn)

② 應(yīng)用效果：據(jù)稱可以將渲染像素降低到MRS方案的10%左右，將當(dāng)前可以支撐VR的PC設(shè)備從當(dāng)前僅有的10%提升至30%

③ 其他相似技術(shù)： Tobii、SMI、FOVE和Eyefluence等。

4.2 VR屏顯技術(shù)

VR顯示屏幕主要包括OLED、LCD兩種類型，其中OLED采用有源陣列有機(jī)發(fā)光能夠做到低余暉，不過(guò)在每個(gè)像素間存在分割網(wǎng)格的問(wèn)題；LCD采用背投光源顯示，每個(gè)像素都被動(dòng)發(fā)光，相對(duì)較為容易產(chǎn)生嚴(yán)重余暉現(xiàn)象。從業(yè)界選擇趨勢(shì)來(lái)看，似乎OLED是主流，不過(guò)國(guó)內(nèi)廠商可能受制于訂貨量和價(jià)格因素，還有很多采用LCD屏。

（1）LCD

① 屏顯原理：普通的液晶顯示屏（LCD）是一種介于固態(tài)與液態(tài)之間的物質(zhì)，本身是不發(fā)光的，需借助要背光燈才行。因其無(wú)法控制到每個(gè)像素，當(dāng)每一幀像素都在發(fā)光時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)余暉，所以，LCD也被稱為“全余暉”顯示。

② 優(yōu)點(diǎn)：整體顯示無(wú)網(wǎng)格，場(chǎng)景亮點(diǎn)較高。

③ 缺點(diǎn)：余輝嚴(yán)重，延遲長(zhǎng)。

（2）OLED

① 屏顯原理：無(wú)需背光燈，具有自發(fā)光的特性，所以O(shè)LED可以做到低余暉顯示，并且它的響應(yīng)時(shí)間是LCD的千分之一，顯示運(yùn)動(dòng)畫面不會(huì)有拖影等現(xiàn)象。

② 優(yōu)點(diǎn)：低余輝，顯示延遲短。

③ 缺點(diǎn)：每個(gè)像素間都會(huì)有網(wǎng)格，需調(diào)低顯示亮度。

雖然OLED屬于低余暉顯示，但為了達(dá)到更好地顯示效果，實(shí)現(xiàn)VR虛擬環(huán)境與真實(shí)人眼看到的實(shí)際環(huán)境在亮度、參考物體無(wú)限接近，還是需要進(jìn)行低余暉處理，當(dāng)前主要包括如下技術(shù)解決辦法：

（1）提高刷新率：將刷新率提升到100Hz，讓虛擬物品運(yùn)動(dòng)更加接近真實(shí)世界；

（2）設(shè)置參照系：模擬人腦預(yù)測(cè)掃視的物品位置時(shí)，需要參照物的特點(diǎn)，在虛擬場(chǎng)景中設(shè)置相對(duì)比較靜止的參照物，能夠讓人腦便于接受虛擬實(shí)際中的運(yùn)動(dòng)變化；

（3）雙屏顯示：采用兩個(gè)屏幕，采用更接近現(xiàn)實(shí)的光場(chǎng)模式，雙眼各自通過(guò)不同屏幕看到場(chǎng)景，能讓用戶的眼睛可以隨意對(duì)焦在視野中任一焦點(diǎn)，避免單屏幕雙眼觀看同一場(chǎng)景在疊加過(guò)程中，場(chǎng)景無(wú)差別造成的大腦不適的現(xiàn)象。

目前在VR顯示方面，遠(yuǎn)未達(dá)到理想的狀態(tài)，一般使用者需每隔10分鐘中止休息，未來(lái)依然是業(yè)界主要研究的重點(diǎn)方向。

4.3 VR定位技術(shù)

VR沉浸式體驗(yàn)主要來(lái)自于立體化顯示和精準(zhǔn)的定位技術(shù)，使得用戶產(chǎn)生的自身身體運(yùn)動(dòng)融入VR虛擬環(huán)境中，主要定位技術(shù)有：紅外定位、激光定位、可見(jiàn)光定位、低功耗藍(lán)牙定位等。

（1）紅外定位

① 技術(shù)原理：利用多個(gè)紅外發(fā)射攝像頭、覆蓋室內(nèi)定位空間，在被追蹤物體上放置紅外反光點(diǎn)，通過(guò)捕捉反光點(diǎn)紅外反射影像，確定用戶在空間中的位置。

② 優(yōu)點(diǎn)：定位精度高，如果采用幀率很高的攝像頭，延遲也很低，具有較好的效果

③ 缺點(diǎn)：造價(jià)較為昂貴，一個(gè)120幀的攝像頭，造價(jià)超過(guò)1000美元

④ 應(yīng)用情況：VR影視制作、動(dòng)畫錄制等商用方向

（2）激光定位

① 技術(shù)原理：利用激光發(fā)射器（定位光塔），發(fā)射橫豎兩個(gè)方向的激光，被定位物體上安置多個(gè)激光感應(yīng)接收器，通過(guò)計(jì)算兩束光線到達(dá)定位物體的角度差，計(jì)算出待測(cè)定位節(jié)點(diǎn)在定位空間中的坐標(biāo)。

② 優(yōu)點(diǎn)：成本低，定位精度高（mm級(jí)）

③ 缺點(diǎn)：需要一定封閉空間，例如HTC Vive的Lighthouse需要5*5m空間，而且會(huì)有多人遮擋的問(wèn)題

④ 應(yīng)用情況：HTC Vive的Lighthouse和G-Wearables的Step VR等

（3）可見(jiàn)光定位

① 技術(shù)原理：用攝像頭拍攝室內(nèi)場(chǎng)景，追蹤主動(dòng)發(fā)光的標(biāo)記點(diǎn)（類似小燈泡），通過(guò)實(shí)時(shí)獲取針對(duì)不同位置不同顏色的標(biāo)記點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)物體定位

② 優(yōu)點(diǎn)：算法簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、容易擴(kuò)展

③ 缺點(diǎn)：精度方面不如激光和紅外方式

④ 應(yīng)用情況：The Void，Zero Latency 和很多國(guó)內(nèi)的線下VR體驗(yàn)店等

（4）低功耗藍(lán)牙定位

① 技術(shù)原理：通過(guò)接收低功耗藍(lán)牙通信功能的設(shè)備發(fā)送特有ID，利用算法軟件計(jì)算跟蹤物體的位置

② 優(yōu)點(diǎn)：移動(dòng)性強(qiáng)，高端手機(jī)支持

③ 缺點(diǎn)：精度低、對(duì)終端有一定要求

④ 應(yīng)用領(lǐng)域：在VR領(lǐng)域很少被應(yīng)用

此外還有一些定位技術(shù)，比如Wifi定位、射頻識(shí)別技術(shù)、UWB技術(shù)、ZigBee技術(shù)等等，但都存在精度有限的問(wèn)題，在VR領(lǐng)域很少被應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要概括了虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)發(fā)展歷程、產(chǎn)品構(gòu)成、產(chǎn)品形態(tài)和產(chǎn)品性能參數(shù)等相關(guān)內(nèi)容；隨后分析和研究了技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程、總體技術(shù)框架等；最后重點(diǎn)研究了VR渲染、屏顯和定位等關(guān)鍵技術(shù)。VR行業(yè)未來(lái)，還需在圖形渲染技術(shù)、屏顯低余暉技術(shù)和精確便捷定位技術(shù)等方面不斷完善，才能最終達(dá)到VR產(chǎn)品的公眾消費(fèi)市場(chǎng)的普及。

1 C.Guger，G.Edlinger，W.Harkam，I.Niedermayer，andG.Pf urtscheller，“Howmanypeopleareabletooperatean EEG-basedbrain-computerinterface（BCI）？，”IEEETrans.NeuralSyst.Rehabil.Eng.，vol.11，no.2，pp.145-147，Jun.2003

2 H.Gürk?kandA.Nijholt，“Brain-computerinterfacesformultimodal interaction：Asurveyandprinciples，”Int.J.Human-Comput.Interac-tion，vol.28，no.5，pp.292-307，2012

3 A.Lécuyer，F(xiàn).Lotte，R.Reilly，R.Leeb，M.Hirose，andM.Slater，“Brain-computerinterfaces，virtualreality，andvideogames，”Com-puter，vol.41，no.10，pp.66-72，2008

4 R.Scherer，M.Proll，B.Allison，andG.Muller-Putz，“Newinput modalitiesformoderngamedesignandvirtualembodiment，”inProc.IEEEVirtualRealityWorkshop，Mar.2012，pp.163-164

5 吳家鑄、黨崗、劉華峰等.視景仿真技術(shù)及應(yīng)用.西安： 西安電子科技大學(xué)出版社2001年

6 宋志明，康鳳舉.Vega開(kāi)發(fā)環(huán)境的擴(kuò)展研究，系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004年 16（1），2004.01 ：178-179

表3 布吉片區(qū)仿真數(shù)據(jù)

圖4 布吉站點(diǎn)數(shù)與均值關(guān)系

由圖4可知，隨著區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)數(shù)增多，RSRP均值逐步上升，SINR達(dá)到峰值8.41dB后開(kāi)始下降，此時(shí)區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)數(shù)為120個(gè)，平均站間距為342米。

（3）小結(jié)

本次選取東門和布吉作為密集城區(qū)和一般城區(qū)的樣本，通過(guò)仿真驗(yàn)證及分析可知：當(dāng)某一片區(qū)內(nèi)站點(diǎn)數(shù)持續(xù)增加時(shí)，該片區(qū)內(nèi)RSRP指標(biāo)會(huì)持續(xù)上升，但SINR指標(biāo)增加到某一閾值后邊開(kāi)始下降，這意味著該片區(qū)內(nèi)重疊覆蓋增多、干擾增加，用戶感知開(kāi)始下降，因此可將SINR閾值所對(duì)應(yīng)的站點(diǎn)數(shù)和站間距作為該類型區(qū)域所能容納的最大站點(diǎn)數(shù)和極限站間距。綜合上述分析，針對(duì)深圳建筑特點(diǎn)，建議密集市區(qū)FDD LTE網(wǎng)絡(luò)站間距不小于280米，一般市區(qū)FDD LTE網(wǎng)絡(luò)站間距不小于350米。

4 結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)內(nèi)，LTE網(wǎng)絡(luò)采用同頻組網(wǎng)方式，在頻譜資源相同的情況下，決定最終用戶體驗(yàn)差異的是網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率，頻譜效率在很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)中高端SINR的占比。從上述仿真中可知，區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)數(shù)持續(xù)增加后，SINR最終會(huì)下降，即網(wǎng)絡(luò)頻譜效率最終下降，影響用戶體驗(yàn)。因此，嚴(yán)格控制站間距，結(jié)合合理取值的站點(diǎn)下傾角和方位角，減小系統(tǒng)間干擾，是提升網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。

（收稿日期：2016-07-19）

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.08.011

2016-07-20）