戴上一副眼鏡，連接電腦或手機(jī)，你就能進(jìn)入一個(gè)全新的虛擬世界，這種類似科幻電影《黑客帝國(guó)》里的場(chǎng)景正在我們身邊發(fā)生，而讓這一切實(shí)現(xiàn)的技術(shù)就是最近火得不行的“虛擬現(xiàn)實(shí)”，也就是許多人口中的VR（Virtual Reality）。

什么是VR？

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR），即利用計(jì)算機(jī)發(fā)展中的高科技手段構(gòu)造出一個(gè)虛擬的境界，使參與者獲得與現(xiàn)實(shí)一樣的感覺(jué)。

舉一個(gè)例子，當(dāng)你戴上特制的頭盔與手套后，會(huì)發(fā)現(xiàn)你已置身于一個(gè)不受時(shí)空限制的歷史的博物館中，當(dāng)你向前行走或者轉(zhuǎn)頭時(shí)，你所看見(jiàn)的景象也會(huì)隨之改變，你可穿過(guò)大廳，推開(kāi)前面的大門(mén)，當(dāng)你看見(jiàn)一件精美的展品時(shí)，你甚至可以上上下下、里里外外仔細(xì)地觀摩——這就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來(lái)的真實(shí)感覺(jué)。

VR技術(shù)，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三度空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。

使用者進(jìn)行位置移動(dòng)時(shí)，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場(chǎng)感。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），看到的場(chǎng)景和人物全是假的，是把人的意識(shí)代入一個(gè)虛擬的世界。

VR像做夢(mèng)，看到的場(chǎng)景和人物全是假的，是把你的意識(shí)代入一個(gè)虛擬的世界。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，就是你看到的東西都是假的，但是你的感覺(jué)是真實(shí)的，它就會(huì)給你一種身臨其境的感受。

VR技術(shù)原理

人們?cè)诳粗車�的世界時(shí)，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這種差別能讓我們感知到深度，讓事物看起來(lái)立體。VR技術(shù)也是利用這種視覺(jué)差別，替我們的雙眼安排不同的畫(huà)面，從而讓我們感覺(jué)到畫(huà)面的立體性。與3D電影不同，VR強(qiáng)調(diào)的是360度全景交互，不僅有強(qiáng)烈的沉浸感和立體感，更重要的是允許用戶和虛擬世界進(jìn)行交互。

在人造環(huán)境中，每個(gè)物體相對(duì)于系統(tǒng)的坐標(biāo)系都有一個(gè)位置，而用戶也是如此，用戶看到的景象是由用戶的位置和頭（眼）的方向來(lái)確定的。跟蹤頭部運(yùn)動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)頭套可以感知我們的頭部動(dòng)作。

這樣，當(dāng)我們?cè)谝苿?dòng)時(shí)，虛擬世界中的我們就能同樣的移動(dòng)，當(dāng)我們向左看，虛擬現(xiàn)實(shí)頭套可以識(shí)別這一動(dòng)作，這時(shí)硬件會(huì)及時(shí)渲染出左邊的場(chǎng)景。如此，當(dāng)我們往左看時(shí)，就能看到左邊的場(chǎng)景，往右看時(shí)，就能看到右邊的場(chǎng)景，避免了場(chǎng)景不跟隨我們目光移動(dòng)的意外。

VR技術(shù)前世今生

1956年：Sensorama

1956 年，攝影師Morton Heilig發(fā)明了Sensorama，一款集成體感裝置的3D互動(dòng)終端，它集成3D顯示器、立體聲音箱、氣味發(fā)生器以及振動(dòng)座椅，用戶坐在上面能夠體驗(yàn) 到6部炫酷的短片，體驗(yàn)非常新潮。當(dāng)然，它看上去碩大無(wú)比，像是一臺(tái)醫(yī)療設(shè)備，無(wú)法成為主流的娛樂(lè)設(shè)施。

1961年：Headsight

1961年，Headsight問(wèn)世，是世界上第一款頭戴顯示器。它有飛歌公司研發(fā)，融合CCTV監(jiān)視系統(tǒng)及頭部追蹤功能，但本質(zhì)上，它的主要目的是用于隱秘信息查看，而非娛樂(lè)設(shè)備。

1966年：GAF Viewmaster

這款GAF Viewmaster是最早的3D頭戴設(shè)備之一，通過(guò)內(nèi)置兩顆鏡片來(lái)觀賞幻燈片，具有一定的3D效果，但更像是兒童玩具，而非專業(yè)的影音設(shè)備。其后續(xù)版本還加入了音頻功能，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的多媒體功能。

1968年：Sword of Damocles

1968年問(wèn)世的Sword of Damocles（達(dá)摩克利斯之劍），是麻省理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的頭戴顯示器，其設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，組件也非常沉重，所以需要一個(gè)機(jī)械臂吊住頭戴來(lái)使用。

1980年：Eye Tap

這款Eye Tap看上去與微軟的HoloLens非常相似，嚴(yán)格意義上它也的確是一款增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，可以連接計(jì)算機(jī)攝像頭，將數(shù)據(jù)疊加顯示在眼前。當(dāng)然，今天人們對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)已經(jīng)有了更明確的定義，但Eye Tap對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展還是具有一定意義的。

1984年：RB2

RB2可以說(shuō)是第一款商業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，其設(shè)計(jì)與目前主流產(chǎn)品已經(jīng)非常相似，并且配有體感追蹤手套，可實(shí)現(xiàn)操作。然而，其經(jīng)過(guò)高達(dá)50000美元起，在1984年無(wú)疑是天價(jià)。

1985年：NASA頭戴顯示器

1985年，NASA（美國(guó)航空航管理局）研發(fā)出真正的LCD光學(xué)頭戴顯示器，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)被目前的虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴廣泛采用，只不過(guò)將LCD換為更低功耗、顯示效果更好的OLED。另外，它還具有頭部、手部追蹤系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)更加沉浸式的體驗(yàn)，被用于模擬太空作業(yè)等方面。

1993年：世嘉VR

著名游戲廠商世嘉曾計(jì)劃在1993年發(fā)布基于其MD游戲機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器，設(shè)備看上去非常前衛(wèi)。遺憾的是，在早期非公開(kāi)試玩測(cè)試中，測(cè)試者反應(yīng)平淡，最終世嘉以“體驗(yàn)過(guò)于真實(shí)、擔(dān)心玩家會(huì)受到傷害”為理由，取消了該項(xiàng)目。

1995年：任天堂Virtual Boy

1995 年，任天堂發(fā)布32位游戲機(jī)Virtual Boy，這是一款非常另類的游戲機(jī)，其主機(jī)是一個(gè)頭戴顯示器，但只能顯示紅黑兩色。另外，礙于當(dāng)時(shí)技術(shù)限制，游戲內(nèi)容基本上都是2D效果，再加上較低的分 辨率和刷新率，極易使用戶產(chǎn)生眩暈和不適感。最終，任天堂的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲計(jì)劃在短短不到一年時(shí)間便宣告失敗。

1995年：CAVE

1995年，伊利諾伊大學(xué)的學(xué)生們研發(fā)出“CAVE”虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)三壁式投影空間、配合立體液晶快門(mén)眼鏡，來(lái)實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)，對(duì)于現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起到了極大地的推動(dòng)作用。

2009年：Oculus Rift

毫無(wú)疑問(wèn)，Oculus Rift復(fù)興了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，把它重新帶回大眾視野中。2009年，其創(chuàng)始人在Kickstarter上發(fā)起眾籌活動(dòng)，在很短時(shí)間內(nèi)便獲得超過(guò)10000 個(gè)支持者，備受關(guān)注。此后，第三方資金不斷涌入，讓Oculus Rift得以高速發(fā)展。

2014年，社交巨頭Facebook宣布以20億美元收購(gòu)Oculus，Oculus Rift也在經(jīng)過(guò)了數(shù)個(gè)DK版本之后，正式于今年1月開(kāi)放消費(fèi)者版預(yù)購(gòu)、于3月在全球20多個(gè)國(guó)家及地區(qū)出貨。至此，虛擬現(xiàn)實(shí)真正步入了消費(fèi)電子市場(chǎng)。

從科幻到現(xiàn)實(shí)，從1957到現(xiàn)在，VR設(shè)備的發(fā)展被許多人形容為是“將夢(mèng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)”的過(guò)程，盡管還存在不足，還面臨坎坷，我們依然有理由期待VR將有光明的未來(lái)，畢竟每項(xiàng)科技都是這樣一路跌撞走來(lái)，漸漸成長(zhǎng)的。

VR的主要核心技術(shù)

實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形

相比較而言，利用計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生圖形圖像并不是太難的事情。如果有足夠準(zhǔn)確的模型，又有足夠的時(shí)間，我們就可以生成不同光照條件下各種物體的精確圖像，但是這里的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)。例如在飛行模擬系統(tǒng)中，圖像的刷新相當(dāng)重要，同時(shí)對(duì)圖像質(zhì)量的要求也很高，再加上非常復(fù)雜的虛擬環(huán)境，問(wèn)題就變得相當(dāng)困難。

虛擬場(chǎng)景顯示技術(shù)

人看周圍的世界時(shí)，由于兩只眼睛的位置不同，得到的圖像略有不同，這些圖像在腦子里融合起來(lái)，就形成了一個(gè)關(guān)于周圍世界的整體景象，這個(gè)景象中包括了距離遠(yuǎn)近的信息。當(dāng)然，距離信息也可以通過(guò)其他方法獲得，例如眼睛焦距的遠(yuǎn)近、物體大小的比較等。

在VR系統(tǒng)中，雙目立體視覺(jué)起了很大作用。用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上。有的系統(tǒng)采用單個(gè)顯示器，但用戶帶上特殊的眼鏡后，一只眼睛只能看到奇數(shù)幀圖像，另一只眼睛只能看到偶數(shù)幀圖像，奇、偶幀之間的不同也就是視差就產(chǎn)生了立體感。

用戶(頭、眼)的跟蹤：在人造環(huán)境中，每個(gè)物體相對(duì)于系統(tǒng)的坐標(biāo)系都有一個(gè)位置與姿態(tài)，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭(眼)的方向來(lái)確定的。

頭部追蹤技術(shù)

在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)中，視場(chǎng)的改變是通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，用戶的視覺(jué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)是分離的，而利用頭部跟蹤來(lái)改變圖像的視角，用戶的視覺(jué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來(lái)，感覺(jué)更逼真。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，用戶不僅可以通過(guò)雙目立體視覺(jué)去認(rèn)識(shí)環(huán)境，而且可以通過(guò)頭部的運(yùn)動(dòng)去觀察環(huán)境，這樣當(dāng)我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中移動(dòng)，虛擬現(xiàn)實(shí)世界中的我們也就能同樣地移動(dòng)。

當(dāng)我們向左看，頭部追蹤技術(shù)能夠識(shí)別這一動(dòng)作，這時(shí)硬件就會(huì)即時(shí)渲染出左邊的場(chǎng)景，這樣，我們往左看就能看到左邊的場(chǎng)景，往右看則能看到右邊的場(chǎng)景，而不會(huì)發(fā)生場(chǎng)景跟著我們移動(dòng)的意外。

眼球追蹤技術(shù)

其實(shí)，即使是手機(jī)VR盒子，都具備上述的幾個(gè)關(guān)鍵硬件技術(shù)（手機(jī)通過(guò)陀螺儀模擬頭部追蹤），但眼球追蹤，在VR領(lǐng)域中還算是比較稀有的玩意。

眼球跟蹤技術(shù)是通過(guò)追蹤我們的瞳孔實(shí)現(xiàn)的，算法能夠根據(jù)我們注視的景物來(lái)變換景深，從而帶來(lái)更出色的沉浸體驗(yàn)。

比如，伸出一只手指舉在眼前，當(dāng)我們注視著它時(shí)，手指前方的景物便會(huì)變得模糊，而當(dāng)我們注視背景，手指又會(huì)變得模糊，這正是景深不同帶來(lái)的變化。眼球追蹤技術(shù)能夠知道我們?cè)诳茨睦铮瑥亩�模擬景深的變化，讓體驗(yàn)更加出色。

提起VR領(lǐng)域最重要的技術(shù)，眼球追蹤技術(shù)絕對(duì)值得被從業(yè)者們密切關(guān)注。Oculus創(chuàng)始人帕爾默•拉奇就曾稱其為“VR的心臟”，因?yàn)樗鼘?duì)于人眼位置的檢測(cè)，能夠?yàn)楫?dāng)前所處視角提供最佳的3D效果，使VR頭顯呈現(xiàn)出的圖像更自然，延遲更小，這都能大大增加可玩性。

同時(shí)，由于眼球追蹤技術(shù)可以獲知人眼的真實(shí)注視點(diǎn)，從而得到虛擬物體上視點(diǎn)位置的景深。所以，眼球追蹤技術(shù)被大部分VR從業(yè)者認(rèn)為將成為解決虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔眩暈病問(wèn)題的一個(gè)重要技術(shù)突破。

聲音技術(shù)

人能夠很好地判定聲源的方向。在水平方向上，我們靠聲音的相位差及強(qiáng)度的差別來(lái)確定聲音的方向，因?yàn)槁曇舻竭_(dá)兩只耳朵的時(shí)間或距離有所不同。

常見(jiàn)的立體聲效果就是靠左右耳聽(tīng)到在不同位置錄制的不同聲音來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以會(huì)有一種方向感�，F(xiàn)實(shí)生活里，當(dāng)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，聽(tīng)到的聲音的方向就會(huì)改變。但目前在VR系統(tǒng)中，聲音的方向與用戶頭部的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。

感覺(jué)反饋技術(shù)

在一個(gè)VR系統(tǒng)中，用戶可以看到一個(gè)虛擬的杯子。你可以設(shè)法去抓住它，但是你的手沒(méi)有真正接觸杯子的感覺(jué)，并有可能穿過(guò)虛擬杯子的“表面”，而這在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能的。解決這一問(wèn)題的常用裝置是在手套內(nèi)層安裝一些可以振動(dòng)的觸點(diǎn)來(lái)模擬觸覺(jué)。

語(yǔ)音技術(shù)

在VR系統(tǒng)中，語(yǔ)音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環(huán)境能聽(tīng)懂人的語(yǔ)言，并能與人實(shí)時(shí)交互。而讓計(jì)算機(jī)識(shí)別人的語(yǔ)音是相當(dāng)困難的，因?yàn)檎Z(yǔ)音信號(hào)和自然語(yǔ)言信號(hào)有其“多邊性”和復(fù)雜性。

手勢(shì)跟蹤技術(shù)

使用手勢(shì)跟蹤作為交互可以分為兩種方式：第一種是使用光學(xué)跟蹤，第二種是將傳感器戴在手上的數(shù)據(jù)手套。

光學(xué)跟蹤的優(yōu)勢(shì)在于使用門(mén)檻低，場(chǎng)景靈活，用戶不需要在手上穿脫設(shè)備，未來(lái)在一體化移動(dòng)VR頭顯上直接集成光學(xué)手部跟蹤用作移動(dòng)場(chǎng)景的交互方式是一件很可行的事情。但是其缺點(diǎn)在于視場(chǎng)受局限，以及使用手勢(shì)跟蹤會(huì)比較累而且不直觀，沒(méi)有反饋。這需要良好的交互設(shè)計(jì)才能彌補(bǔ)。

數(shù)據(jù)手套，一般在手套上集成了慣性傳感器來(lái)跟蹤用戶的手指乃至整個(gè)手臂的運(yùn)動(dòng)。它的優(yōu)勢(shì)在于沒(méi)有視場(chǎng)限制，而且完全可以在設(shè)備上集成反饋機(jī)制（比如震動(dòng)，按鈕和觸摸）。

它的缺陷在于使用門(mén)檻較高：用戶需要穿脫設(shè)備，而且作為一個(gè)外設(shè)其使用場(chǎng)景還是受局限：就好比說(shuō)在很多移動(dòng)場(chǎng)景中不太可能使用鼠標(biāo)。

不過(guò)這些問(wèn)題都沒(méi)有技術(shù)上的絕對(duì)門(mén)檻，完全可以想象類似于指環(huán)這樣的高度集成和簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)手套在未來(lái)的VR產(chǎn)業(yè)中出現(xiàn)，用戶可以隨身攜帶隨時(shí)使用。