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    虚拟现实原理揭秘:为什么可以身临其境?

    看完产品,再来了解一下VR为什么能让我们有身临其境的感觉。应该说,人类对视觉上的追求永无止境,我们面对的屏幕越来越大,显示的分辨率越来越高,但是碍于物理成本和技术的制约,它们远远不能让我们有身临其境的体验。如果换一种思路,让人眼和图像无限接近,在物理尺寸较小的显示屏上,是不是能达到同样甚至更好的效果呢?这就是VR最初的想法。


    凸透镜的成像原理之一:焦距内物体成放大正立虚像

    VR应用了最基本的凸透镜光学成像原理,让屏幕位于目镜焦距之内,人眼看到的图像其实是放大的一个虚像(其实就是类似于放大镜),相当于屏幕尺寸扩大了几倍甚至几十倍,再加上镜片曲折光线的作用,可以给人一种身临其境的感觉。

    像Google的CardBoard和目前绝大多数的手机类VR眼镜,都是这个原理的简单运用,但是要营造更加真实的空间感和体验,还有很多技术细节需要关注,如动作延迟、枕形畸变、视场和360°动作追踪。它们一起营造了一个触手可及,并且栩栩如生的世界。

    因为足够优秀的延迟控制,我们才可以自如的享受这个崭新的世界而不会吐得满身都是。因为枕形畸变,我们才能看到平直而不是扭曲的场景;因为宽广的视场,我们的眼球可以看到更宽广的视野而不会有画中画的局限感。而最关键的是360°动作追踪技术,利用陀螺仪、惯性感性单元等追踪用户的每个动作,再将动作和场景互动,产生画面交互之后再输出至目镜中,一个流程下来,目镜中的视觉已经和用户的感官融为一体了。

    电光石火之间的世界:延迟时间

    首先来看看延迟(Latency),准确而完整的说法应该是动作延迟时间。之所以将延迟放在第一位,是因为这看似短暂、以毫秒为单位的延迟时间直接影响到我们的直接体验。熟悉硬件参数的读者一定知道 ,无论是Oulus Rift、HTC Vive还是PlayStation VR都将延迟时间不约而同地保持在了20ms左右,国内的一些VR厂商也将20ms作为努力目标。为什么呢?因为延迟时间对整个体验的意义就像一个数字最左边的数位,当延迟时间大于20ms的时候,使用者会感觉到强烈的眩晕感,意味着你的动作和镜头中的画面完全不同步 。就像玩一个帧数不稳定的第一人称游戏,3D眩晕的几率要大得多。高延迟随之带来的头晕和胸闷会直接摧毁整个体验,第一位数就等于零了,后面的画面、音效等等就算再高也没用了。为了让体验不至于难以接受,开发商会想方设法地将延迟降至20ms以下。


    延迟不严重的时候近似于动态模糊,但严重的时候就是另一回事了

    严格意义上来说,造成眩晕的原因有很多,除了过高的延迟时间的硬件原因之外,还有最为核心的生理原因。因为虚拟现实营造的世界虽然可以欺骗眼睛,但是欺骗不了我们感受平衡和加速度的器官——耳庭,当画面显示一个很震撼的场景的时候,我们的眼睛会告诉我们的大脑要做好准备不要摔倒,但这时我们的耳庭会告诉我们的大脑,这时根本没有任何加速度或是重力上的变化,这时大脑遇到这种矛盾的情况,只能以眩晕的形式作为一种保护措施,提醒我们情况不对,这也是为什么眩晕是无法完全被去除。

    准确的说,延迟时间指的是从你的动作被仪器捕捉的开始计算的,接着传感器会将你的坐标、方向,速度和距离等空间信息收集并传递给CPU和GPU处理,然后生成一帧一阵的图像,再串流至头盔上的目镜中。

    所以要将这个流程的时间缩短在20ms,难度其实相当大,首先,传感器捕捉一个动作就需要时间,将空间位置信息转化为可以让CPU直接计算的信息也需要一定的处理时间,接着让GPU参与图形生成就更是需要一帧一帧的 生成了,再算上OLED屏幕本身的延迟时间,20ms分摊到每个工序上的时间屈指可数,这也是为什么Oculus Rift的配置要求达到了i5-4590/GTX 970以上的水平,每一帧的生成时间短一点,你才不会吐一地啊。

    为什么凸透镜中的世界没有扭曲?枕形畸变

    再来说说枕形畸变(Pincushion Distirion),其实枕形畸变是为了抵消凸透镜本身的边缘变形,而在内容开发中引入的一个逆向步骤。因为结构的原因,目镜往往是凸透镜,而带来的结果就是画面的桶形畸变。为了消除这个现象,在开发内容的时候开发者会利用SDK将画面根据特定的弧度预先进行相反性质的枕形畸变。换句话说,计算机生成画面的并不是我们真正看到的平面,而是带有畸变的失真,就像是在凸透镜的下面再放置一块凹透镜。一聚一散之后,我们看到的才会是一个完美的平面。


    中间是桶形畸变,右边是枕形畸变

    VR能多接近我们的眼睛?视场很重要

    视场(Field of View)是另一个衡量虚拟现实技术是否先进的指标,除了Oculus Rift,HTC Vive和PlayStation VR的视场也在110°左右。首先,由于虚拟现实毕竟是对视觉感官施加内容,那么为了尽可能的让虚拟场景接近眼球已经熟悉的现实场景,视场当然越相近眼球的视场 (约120°)越好。合适的视场角度可以完美地模拟自然眼球的观察效果,让使用者逐渐在娱乐中忘记自己在使用一个头盔,而误以为自己是在用真实的眼睛观察现实世界。否则太窄的话,用户在观察的时候很容易发现视野的边界,进而将好不容易营造的空间感破坏。好在现在第一梯队VR设备,比如Rift、PS VR以及HTC Vive的视场都达到了110°。

    除了在真实感上的意义之外,合适的视场也是降低眩晕感的一个重要的指标。就像前文说的,合适的视场才是营造真实感的重要因素,而不是越大越好。事实上,过大的视场甚至会导致 眩晕几率的上升。详细的表述是,如果物理(目镜)视场大于虚拟视场,则多出来的角度越大,眩晕会越剧烈。而当物理市场小于虚拟视场时,两者的差距越小越好,眩晕的几率也更小。

    从照片到沉浸体验:动作追踪

    剩下最重要的一个关键技术是360°的动作追踪(Motion Tracking), 它赋予了VR更多的潜能。当然了,就算没有它,VR电影一样很有代入感,VR体育直播也还是那么劲爆,但那只是缩短了眼睛到目标的距离而已,脱离了对身体的反馈,VR只是一个眼前的电视而已。

    而动作追踪系统则可以感应使用者头部和手部的位置、运行轨迹、加速度甚至是惯性,甚至可以感受全身的动作(HTC Vive),并迅速将空间信息收集传递给具体的应用,加入游戏下一帧的计算或是视频应用中视角的调整调用。也正是这样,VR才多了一层亲身体验的意义,我们的身体反应才能被体现在亦真亦幻的世界中,才能让我们心甘情愿地一个不存在的世界蒙骗。可以说优秀的动作追踪功能让VR的功能更加完整,也帮助VR成为了下一代PC的主要竞争者。

    如图,通过捕捉并追踪使用者的一举一动,在一系列复杂的计算之后,使用者看到的不仅是运动的画面,还是根据自己的动作反馈的实时画面 ,这是赋予VR生命力的关键,也就是“沉浸体验”的重要一部分,可以说动作追踪是VR第一生产力。

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    • 游客  2016-05-28 10:27

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    • 游客  2016-05-24 14:36

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    • 超能网友教授 2016-05-24 10:36    |  加入黑名单

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    • 游客  2016-05-24 10:06

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    • 游客  2016-05-24 05:56

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    • 游客  2016-05-23 15:41

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    • 我匿名了  2016-05-23 15:21

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    • 我匿名了  2016-05-23 15:12

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