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走进VR的世界

发布时间:2018-04-19 10:36 来源:荆楚网

  这周最重磅的VR行业新闻莫过于一部电影的上映,没错,这就是由大导演斯皮尔伯格指导的《头号玩家》。这是一部VR题材的电影,如果你仔细观察电影,你很快就会发现自己暂时无法变得像主角韦德·沃兹那样。毕竟,这是一部科幻片。但实际上,这个看似遥远的未来比你想象中还要接近我们。VR正在逐步进入民用市场,但对绝大多数民众来说,VR既陌生也神秘。

 

虚拟现实的前世今生 竟然是小说家提出的

  1935年,小说家Stanley G.Weinbaum在他的小说《皮格马利翁的眼镜》中描述了一款虚拟现实的眼镜,而该小说被认为是世界上率先提出虚拟现实概念的作品,故事描述的就是以眼镜为基础,包括视觉,嗅觉,触觉等全方位沉浸式体验的虚拟现实概念。

1962年,一部名为Sensorama的虚拟现实原形机被Morton Heilig所研发出来,后来被引用到空军,以虚拟现实的方式进行模拟飞行训练。虽然随后从1970年到1994年的二十多年间,VR领域有许多科学家相继投入研究,但从整体上看,还仅限于相关的技术研究,并没有生产出能交付到使用者手上的产品。

  直到1994开始,日本游戏公司Sega和任天堂分别针对游戏产业而推出Sega VR-1和Virtual Boy,在当时的确在业内引起了不小的轰动,但因为设备成本高,普及率并没有很大,但也为VR硬件进军To C市场打开了一扇门。

 

  而进入2016年,虚拟现实(VR)热潮仍一波接一波。随着HTC、微软、Facebook、AMD、三星等国际知名品牌相继布局VR领域,VR产业生态逐渐完善,消费者对于产品的认知也逐渐深化、成熟,业内普遍认为,VR元年已经到来。与此同时,我国VR市场进入快速发展期,国内用户数量将快速增加,预计到2020年我国VR用户将近3000万。

什么是虚拟现实(VR)?

  虚拟现实(VirtualReality),简称VR技术VR,也称灵境技术或人工环境,是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界,提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让用户如同身历其境一般,可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。用户进行位置移动时,电脑可以立即进行复杂的运算,将精确的三维世界视频传回产生临场感。该技术集成了计算机图形、计算机仿真、人工智能、传感、显示及网络并行处理等技术的最新发展成果,是一种由计机技术辅助生成的高技术模拟系统。

 

虚拟现实技术是如何运作的?

  虚拟现实有三个独立的步骤。

  第一步,追踪。例如,利用头盔式显示器追踪一个人在现实世界中的运动轨迹,当他(她)走动时,我们可以追踪到他(她)的位置,不断测量他(她)在物理世界中的运动轨迹。

  第二步,透视投影。这个词指的是重新绘制一个场景,并利用计算机图像将抽象信息从代码转化为有形的显示单元(如像素)。

  第三步,展示。当他(她)处于新位置时,我们可以改变他(她)眼中看到的信息,耳中听到的声音,有时候我们还会做出虚拟接触效果改变他(她)的手的位置,偶尔也会做出虚拟嗅觉。大脑的前部会告诉他(她)这不是真实的场景,而大脑后部却会说这是真的。

 

虚拟现实技术包含哪些关键技术

  1、实时三维计算机图形技术

  关键是实时。例如在飞行模拟系统中,图像的刷新相当重要,同时对图像质量的要求也很高,再加上非常复杂的虚拟环境,问题就变得相当困难。

  2、广角(宽视野)的立体显示

  双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的,显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器,但用户带上特殊的眼镜后,一只眼睛只能看到奇数帧图像,另一只眼睛只能看到偶数帧图像,奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。

  3、立体声

  在水平方向上,我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向,因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的,所以会有一种方向感。现实生活里,当头部转动时,听到的声音的方向就会改变。但目前在VR系统中,声音的方向与用户头部的运动无关。

  4、用户(头、眼)的跟踪

  在人造环境中,每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态,而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头(眼)的方向来确定的。

 

  5、触觉与力觉反馈

  在一个VR系统中,用户可以看到一个虚拟的杯子。你可以设法去抓住它,但是你的手没有真正接触杯子的感觉,并有可能穿过虚拟杯子的“表面”,而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。

  6、跟踪头部运动的虚拟现实头套

  利用头部跟踪来改变图像的视角,用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来,感觉更逼真。另一个优点是,用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境,而且可以通过头部的运动去观察环境。

  7、语音输入输出

  在VR系统中,语音的输入输出也很重要。这就要求虚拟环境能听懂人的语言,并能与人实时交互。而让计算机识别人的语音是相当困难的,因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。

虚拟现实技术演进方向

  虚拟现实技术的实质是构建一种人为的能与之进行自由交互的“世界”,在这个“世界”中参与者可以实时地探索或移动其中的对象。沉浸式虚拟现实是最理想的追求目标,实现的方式主要是戴上特制的头盔显示器、数据手套以及身体部位跟器,通过听觉、触觉和视觉在虚拟场景中进行体验。可以预测短期内游戏玩家可以戴上头盔、身着游戏专用衣服及手套真正体验身临其境的“虚拟现实”游戏空间,它的出现将淘汰现有的各种大型游戏,推动科技的发展。纵观虚拟现实的发展历程,未来虚拟现实技术的研究仍将延续“低成本、高性能”原则,从软件、硬件两方面展开,发展方向主要归纳如下:

  1、低成本快速建模技术。

  虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容,动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据需要建立相应的虚拟环境模型。内容制作是虚拟现实产业界的短板,当前的内容制作成本高、周期长,对于制作人员的要求也高,限制了虚拟现实应用的发展,如何实现低成本的快速建模将是虚拟现实在产业界大规模推广的关键。

  2、实时三维图形生成和显示技术。

  三维图形的生成技术已比较成熟,而关键是怎样“实时生成”,在不降低图形的质量和复杂程度的基础上,如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外,虚拟现实还依赖于立体显示和传感器技术的发展,现有的虚拟设备还不能满足系统的需要,有必要开发新的三维图形生成和显示技术。

  3、新型交互设备的研制。

  虚拟现实技术实现人能够自由与虚拟世界对象进行交互,犹如身临其境,借助的输入输出设备主要有头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此,新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。

  4、智能化、自然的虚拟现实建模。

  虚拟现实建模是一个比较繁复的过程,需要大量的时间和精力。如果将虚拟现实技术与自然交互、语音识别等技术结合起来,可以很好地解决这个问题。对模型的属性、方法和一般特点的描述通过自然交互、语音识别等技术转化成建模所需的数据,然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、导航以及评价,将模型用对象表示出来,并且将各种基本模型静态或动态地连接起来,最终形成系统模型。人工智能在虚拟世界也大有用武之地,良好的人工智能系统对减少乏味的人工劳动具有非常积极的作用。

 

  5、分布式虚拟现实技术。

  分布式虚拟现实(Distributed Virtual Environment,DVE)是今后虚拟现实技术发展的重要方向。随着众多DVE开发工具及其系统的出现,DVE本身的应用也渗透到各行各业,包括医疗、工程、训练与教学以及协同设计。仿真训练和教学训练是DVE的又一个重要的应用领域,包括虚拟战场、辅助教学等。另外,研究人员还用DVE系统来支持协同设计工作。近年来,随着互联网应用的普及,一些面向互联网的DVE应用使得位于世界各地多个用户可以进行协同工作。将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络联结起来,采用协调一致的结构、标准、协议和数据库,形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟合成环境,参与者可自由地进行交互作用。特别是在航空航天中应用价值极为明显,因为国际空间站的参与国分布在世界不同区域,分布式虚拟现实训练环境不需要在各国重建仿真系统,这样不仅减少了研制费和设备费用,减少了人员出差的费用以及异地生活的不适。例如微软近期发布的Holoportation远程沉浸式交互演示得到了业界的一致看好。

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