浅谈VR虚拟现实的工作原理与技术难点

虚拟现实（VR）经过近年来的狂热追逐，随着其中所面临的一系列问题，让各界人士都趋于理性，但是一些投资者仍在坚持一种愿景，即如果可以解决技术问题，VR有一天可以取代移动设备。

VR的工作原理

虚拟现实主要是模拟人眼视觉。每款VR设备都旨在完善其创建沉浸式3D环境的方法。每个VR头戴式显示器都在眼睛前面架起一个屏幕（或两个，每个眼睛一个），从而消除了与现实世界的任何交互。

要创建真正的身临其境的虚拟现实，需要满足一些先决条件：最低60fps的帧率，等效的刷新率，最低100度的视野（FOV）（尽管180度是理想的）。帧率是GPU每秒处理图像的速率，屏幕刷新速率是显示器渲染图像的速度，而FOV是显示器可以支持眼睛和头部运动的程度。

如果这些都不符合标准，则用户可能会遇到延迟，即他们的操作与屏幕响应之间的时间间隔过长。我们需要以小于20毫秒的速度来“欺骗”大脑，这需要通过将上述所有因素按适当比例组合而实现。此外，还需要解决的另一个问题是：防止由于位姿更新速率和图像刷新速率之间的不一致而导致的割裂（晕动症）。如果GPU的渲染速度大于屏幕刷新率，则图像可能会失真。

VR的技术难点在哪里？

VR是一种全新的用户界面，与传统界面不同，它使人们沉浸在数字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）模拟真实的存在。

关于什么才是真正的VR体验，意见不一，但总的来说应该包括：

·从用户角度看似真实尺寸的三维图像；

·跟踪用户动作（尤其是他的头部和眼睛运动）并相应地调整用户显示器上的图像以反映视角变化的能力；

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，今天我们单从硬件方面来分析。VR设备应该提供逼真的、自然的、高质量的图像和交互可能性。综合上述的VR工作原理，不难得出，一个好的VR设备，需要把以下变量平衡好：

·图像分辨率

·视场

·刷新率

·运动延迟

·音频/视频同步

VR的主要挑战是“欺骗”人脑感知真实的数字内容，但这并非易事。截至目前，“沉浸式”问题仍然使VR体验无法令人满意。例如，人类的视野不能用作视频帧，除了大约180度的视线外，我们还具有外围视觉。

但是，VR远见者有信心早晚解决此类问题，为这一概念而战。现在我们可以看到大量的360度视频和图片，VR应用程序和游戏等虚拟体验，这都是VR从业者们努力的结果。

那是什么样的技术才能做到真正的VR沉浸感呢？

VR沉浸感，最终表现为用户交互。而对于用户交互，有几种技术方案选择：

1、头部追踪

VR头戴式设备中的头部跟踪系统可跟踪您的头部向侧面和角度的移动。它为方向和运动分配X，Y，Z轴，并涉及诸如加速度计，陀螺仪，光学捕捉设备。头部跟踪要求低等待时间，即50毫秒或更短，否则，用户将感觉到头部运动和模拟之间的滞后。

2、眼动追踪

某些头戴设备包含红外控制器，该控制器可在虚拟环境中跟踪眼睛方向。这项技术的主要好处是可以获得更真实，更深入的视野。

3、运动追踪

尽管尚未进行足够好的工程设计和实施，但运动追踪将把VR提升到一个全新的水平。事实是，没有运动跟踪，将只能在VR中受限制，无法四处张望和四处走动。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光学跟踪和非光学跟踪两类。光学跟踪通常是头戴式设备上的摄像头，用于跟踪运动，而非光学跟踪是指在设备或身体上使用其他传感器。实际上，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的帧速率，该速率至少应为60 fps，以使虚拟仿真看起来足够逼真。

早期的VR头戴设备的6DoF定位，主要是依靠在场地中架设额外的设备配合眼镜里的定位marker来实现定位（OutsideIn），而近年来新兴起了 InsideOut 定位技术，则是靠头盔上的自带的摄像头拍摄外部景物，来反向估计自己的姿态，进行定位。与早期的 OutsideIn 外部定位技术比，InsideOut 定位技术可以使用户免去了复杂的外部设备架设环节，使得VR头戴设备使用上的便捷性上有了很大的提升。

VR产品处于技术变革的最前沿。在2010-2020十年间，已经发布了许多新产品，吸引了创业者、研发人员和企业的想象。随着这项技术过去十年的发展，相信未来十年（2020-2030）年注定是VR产品激动人心的时刻。通过解决这些设备中当前出现的问题，无论是对于消费者还是工业/企业领域，这项技术都将得到更大的普及。

责任编辑：tzh