VR（虛擬現實）是什麼

VR（虛擬現實）作爲一個概念提出已經很久，在各種科幻作品中都能看到它的身影，但作爲實實在在的應用，真切地走進人們的日常生活，可以說還是一個時髦的新事物。

這些年VR（虛擬現實）技術逐步成熟，應用場景日益豐富，開始在各個方面滲透到人們的生活中，但是你真的瞭解虛擬現實嗎？它到底是什麼，能用來做什麼。

這一期先嚐試初步從定義和原理方面簡單介紹下虛擬現實。

一、VR定義

如果身邊人問你什麼是VR，可能大多數人會回答“虛擬現實”，因爲VR全稱是Virtual Reality。

那什麼是虛擬現實？通俗來講就是通過各種技術在計算機中創建一個虛擬世界，用戶可以沉浸其中，使用視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感覺來感知這個虛擬世界，並能與其中的場景、物品、甚至虛擬人物等進行交互。

這是我能想到的比較完整的定義，因爲它基本上說清楚了虛擬現實的三個重要特徵：

1. 沉浸性

這個特性首先是指用戶帶上VR頭顯，遮住視線，看不到現實世界，只能看到計算機生成的畫面。 其次VR頭顯凸透鏡放大人眼看到的即時圖像範圍，產生90~120度範圍視野，這樣的視野大概和三通道的環幕投影系統產生的效果差不多，人眼被幹擾的可能性大大降低。

再次頭顯中左右眼每一個時刻看到的圖像是不一樣的，從而產生很強的立體縱深感。

另外當人轉動頭部時，頭顯上陀螺儀能夠及時通知圖像生成引擎更新實時畫面，讓人感覺自己在看一個環繞的虛擬空間，從而產生360度三維空間感。

2. 交互性

用戶能夠像在現實世界中“待人”“接物”一樣，在虛擬世界中行走、跑、跳、蹲下、站起、抓取、投擲、釋放、對話等等。

目前虛擬現實中一般通過穿戴設備進行交互，例如手柄、手套、貼片、腦機接口等。也有其他自然交互方式：例如語言識別、簡單的手勢識別等。

目前虛擬現實中的交互技術處在不斷探索改進中，交互起來並不自然。

3. 多感知性

虛擬現實技術目標是爲了儘可能呈現與現實世界一致的感官體驗。

1）視覺

利用逼真的人物、物品、場景製作與渲染技術，獲得以假亂真的視覺體驗。

利用最先進的畫面捕捉技術、體感控制技術以及畫面渲染技術塑造的虛擬人物。

2）聽覺

利用聲場重建、共振音頻等技術模擬複雜的空間聲場產生與現實世界相同的聲場效果。

3）觸覺

目前主流產品通過手柄震動提供觸覺反饋，也有一些專業手套設備，通過向手指、手掌施加作用力，提供觸覺反饋。

再比如一些電子皮膚貼片通過振動力度和頻率來反饋，還有比如腦機接口使用生物監測以及腦電信號處理技術提供免提交互等。

4）嗅覺

目前也有公司和團隊在研究VR氣味，但這個維度目前還存在門檻，離在安全的情況下全面擬真還有不小的距離，並在用戶體驗上也存在尺度把握和適應性問題。

左側是 Feel Real VR Mask 氣味面具，可以外接到頭盔上，爲某些場景提供氣味沉浸；右側的 Tesla Suit 觸感套裝，包括觸覺反饋、動作捕捉、氣候控制和生物反饋系統。

它的觸覺反饋系統基於經皮電神經刺激和電肌肉刺激，藉助肌肉電脈衝技術，以生物電的形式來將感覺由神經系統傳到大腦。

這個套裝基本上滿足了觸覺反饋的兩個維度：力反饋（感知物體形狀，重量，硬度等）、觸感反饋（感知物體紋理，粗糙度，冷熱等），從而使用戶可以更加切身的體驗虛擬世界（這些設備目前也普及不了，原因肉眼可見，就不展開說了）。

現在有很多人把VR與3D技術混爲一談，把3D電影，3D遊戲，3D指揮中心、3D展館等等都理解爲虛擬現實應用，相信通過以上特性可以看出明顯的不同了吧。

二、運行原理

VR概念其實早在1935年小說家溫鮑姆的著作《皮格馬利翁眼鏡》中就已提出，產品也是經過幾十年曆史一代代人完善與發展，近些年產品迭代速度加快。

比較標誌性的事件有谷歌2014年推出Cardboard，將VR終端設備小型化，之後三星GearVR、國內暴風魔鏡等各種眼鏡盒子（這些都算不上真正的VR設備），2016年HTC推出劃時代的VR設備HTC VIVE，算是初步體驗到虛擬世界，再之後VR設備出現百花齊放的格局，什麼PS VR、RIFT/QUEST、Valve Index、PICO等等。

那麼這些VR設備到底是如何運行的呢，瞭解它的運行原理有助於我們更好地理解虛擬現實產品。由於在VR設備是綜合運用各種技術完成虛擬內容的呈現，這裡簡單下描述其中涉及部分內容，後期找時間可以對其中主要技術展開介紹。

首先是需要製作生成虛擬現實內容，不管是遊戲、視頻、還是行業應用，都是要綜合使用各種軟件工具對虛擬現實內容進行調研、分析、設計與開發完成。主要包括：建模、貼圖、動畫製作、導入開發引擎、音效、圖形界面、燈光、特效，編寫交互代碼、發佈優化等等過程（全景、視頻的製作流程不太一樣）。

一個典型的VR團隊需要內容策劃師、美術、建模工程師、音效製作人員、動畫師、特效製作人員、開發人員、測試等角色，其中各個角色還可以進一步細分，例如建模工程師還可以細分爲原畫設計師、角色設計師、場景師、動漫設計師、UI設計師等等。

所以VR內容的製作一般都需要一個團隊，每種VR應用的開發流程不完全一致，下圖舉例：VR遊戲開發的簡要流程。

其次製作好的VR內容在電腦或者一體機上運行起來，需要將每一幀的畫面傳輸給頭顯設備，展示出來，這就需要顯示技術。

一般VR眼鏡爲了立體成像，讓左右眼看到的圖像各自獨立分開，並且讓左右眼畫面連續交替顯示在屏幕，利用人眼視覺暫留生理特徵，就可以看到立體3D圖像。具體需要通過分色、分光、分時、光柵等技術，再運用計算機圖形學對立體成像畫面反畸變、合成、位置預測等處理纔能有“真實感”。

爲了提高畫面渲染效率，還要引入視點渲染技術。如果每一幀畫面的獲取來自網絡服務器（對於頭顯設備只負責展示畫面，不負責計算渲染的情況），那麼還需要用到雲計算、邊緣計算、5G等技術。

再次當人物在虛擬場景中移動、轉動、擡頭、低頭、蹲下、站起等等，計算機能夠實時精準的根據新的位置信息產生新的畫面，就需要定位追蹤技術。

目前主流的兩種方式，一種是Outside-In方式，通過基站發射激光定位頭顯和手柄上的傳感器座標位置和方向等，並將數據傳給計算機。計算根據這些數據，判斷用戶的姿勢，位置等信息，並由此生成實時畫面。

另一種是Inside-Out方式，主要根據攝像頭，傳感器（加速計、陀螺儀等）設備數據，綜合運行計算機視覺，重力、加速度等分析用戶的位置、姿勢信息，生成實時圖像（這種方式沒有基站定位）。

此外VR設備還需要根據用戶動作指令做出響應，給予畫面反饋，或者給予物理反饋等，這就需要識別技術。例如打開門進入新的房間，與角色人物招手、凝視，語音發出指令，槍支射擊、拉弓射箭，物品拾取等操作需要VR設備識別並反饋。

這裡面要綜合運用手勢識別（主要根據佩戴手套或手柄按鍵進行硬件檢測，也有利用計算機視覺算法計算）、語音識別、面部識別（利用面部貼片或視覺計算）、眼動追蹤（利用視覺計算、機器學習、眼部肌電信號）、以及觸覺、嗅覺反饋等技術。

VR設備運行過程中涵蓋的技術實在太多，對於大部分VR應用開發人員來講，其實也用不上這些技術，因爲設備本身已經爲我們屏蔽底層技術細節。

但瞭解它的實現原理對我們設計出契合的產品，還是有幫助的。

本文由 @汪仔6026 原創發佈於人人都是產品經理，未經作者許可，禁止轉載。

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