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    VR

    1 定義及特征

    Definition and characteristics

    虛擬現實是以計算機技術為核心,生成與現實環境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環境。用戶借助相關設備與虛擬環境中的對象進行交互,從而產生真實環境的感受和體驗。

    VR 具有三個特性,即沉浸性、交互性和構想性。

    沉浸性:指即使用者在使用過程產生的身臨其境的感覺;

    交互性:指使用者可以利用傳感設備與虛擬環境的中大部分對象進行交互。

    構想性:指使用者不僅可以在虛擬環境中獲得真實體驗,而且可以充分發揮想象力,根據個人意愿,創造現實世界中某些不存在的物體。

    2 發展歷史

    Development history

    最早的 VR 技術可以追溯到 1956 年的 Sensorama。它集成了 3D 顯示器、氣味發生器、立體聲音箱及振動座椅,內置了 6 部短片供人欣賞,然而巨大的體積使它無法成為商用娛樂設施。1961 年,飛歌公司研發了一款頭戴式顯示器 Headsight。它集成了頭部追蹤和監視功能,但主要用于查看隱秘信息。1966 年問世的GAFViewMaster 是如今簡易 VR 眼鏡的原型。它通過內置鏡片來達到 3D 視覺效果,但并未搭載任何電子虛擬成像器件或音頻設備。1968年問世的 Sword of Damocles (著名的達摩克利斯之劍)通常被認為是虛擬現實設備的真正開端。它由麻省理工學院研發,為后來 VR 甚至是 AR (增強現實)設備的發展,提供了原型與參考。

    1984 年,第一款商用 VR 設備 RB2 誕生,配備了體感追蹤手套等位置傳感器,設計理念已與現代的主流產品相差無幾。 1985 年, NASA 研發了一款 LCD 光學頭戴顯示器,能夠在小型化輕量化的前提下提供沉浸式的體驗,其設計與結構后來也被廣泛推廣與采用。在游戲、娛樂領域,一些著名的公司也曾嘗試采用虛擬現實技術研發相關產品。 1993 年,游戲廠商世嘉曾計劃為游戲機開發一款頭戴式虛擬現實設備,卻因在內測中反應平淡而夭折。 1995 年,任天堂發布了一款基于 VR技術的游戲機 Virtual Boy,但由于只能顯示紅黑兩色且游戲內容分辨率和刷新率低,在不到一年時間內便宣告失敗。 1995年,伊利諾伊大學研發了一款稱作“ CAVE”的 VR 系統,通過三壁式投影空間和立體液晶快門眼鏡來實現沉浸式體驗。真正將商用虛擬現實技術帶向復興的產品是 2009 年問世的 OculusRift, 2013 年推出了一款面向開發者的早期設備,價格僅為300 美元,代表商用 VR 設備真正步入消費電子市場。隨著 5G 高速傳輸、物聯網、人工智能、柔性顯示、移動式高性能圖形計算卡等技術的出現,為 VR 技術進入商用奠定了基礎。目前,基于虛擬現實技術的應用和設備已經開始出現在教育、傳媒、娛樂、醫療、遺產保護等諸多領域。

    3 虛擬現實系統

    Virtual reality system
    虛擬現實系統架構
    虛擬現實系統架構

    虛擬現實系統主要由5個部分組成: 專業圖形處理計算機、輸入輸出設備、 應用軟件系統、數據庫、虛擬現實開發平臺。虛擬現實系統架構如圖1所示。虛擬現實引擎和輸入輸出設備是系統的硬件保障, 應用軟件系統建立輸入輸出設備到仿真場景的映射, 數據庫完成對場景中數據的管理與保存。

    3.1 專業圖形處理計算機
    專業圖形處理計算機是虛擬現實系統的關鍵部分,它從輸入設備中讀取數據,訪問與任務相關的數據庫,執行任務要求的實時計算,從而實時更新虛擬世界狀態,并把結果反饋給輸出顯示設備。由于虛擬世界是一個復雜的場景,系統很難預測所有用戶的動作,也很難在內存中存儲所有狀態,因此虛擬世界需要實時繪制和刪除,這就大大地增加了計算量,對計算機的配置提出了極高的要求。

    3.2 輸入輸出設備
    輸入設備:虛擬現實系統要求用戶采用自然的方式與計算機進行交互,傳統的鼠標和鍵盤等交互設備無法實現,需要采用特殊的設備。這些特殊設備需要使用專門設計的接口把用戶命令輸入計算機,同時把模擬過程中的反饋信息提供給用戶?;诓煌墓δ芎湍康?,有很多種虛擬現實接口用于解決多個感覺通道的交互。主要的輸入設備有三維跟蹤定位設備、人體運動捕捉設備、手部姿態輸入設備及其它手控輸入設備。

    輸出設備:輸出設備為用戶提供輸入信息的反饋,即將各種感知信號轉變為人所能接收的多通道刺激信號。主要有針對視覺感知的立體顯示設備、聽覺感知的聲音輸出設備以及人體表面感知的觸覺力覺反饋設備。

    3.3 應用軟件系統
    應用軟件系統是實現虛擬現實技術應用的關鍵, 提供了工具包和場景圖, 以降低編程任務的復雜性。虛擬現實系統使用的工具包分為3類:

    (1)三維動畫類。這類工具包用于構建三維場景以及場景中的對象, 其效果逼 真、 制 作 簡 單, 但不能精確控制。主要有3DSAax、Maya、AutoCAD等。

    (2)網絡場景類。這類工具包在服務器上實現,網絡傳輸信息量少、控制靈活性不足,適用于開發在因特網上的應用。主要有World Toolkit(WTK)、VRML、Java3D等。

    (3)直接控制類。這類工具包適用于場景建立時,對涉及的對象進行靈活、精確的控制,其編程要求較高。主要有OpenGL、Direct3D等。用戶根據現場要求選取合適的工具包。應用軟件系統應用這些工具包和場景圖來完成幾何建模、運動建模、物理建模、行為建模和聲音建模。

    3.4 數據庫
    在虛擬現實系統中,數據庫用來存放虛擬世界中所有對象模型的相關信息和系統需要的各種數據,例如地形數據、場景模型、各種建筑模型等。在虛擬世界中,場景需要實時繪制,大量的虛擬對象需要保存、調用和更新,所以需要數據庫對對象模型進行分類管理。

    3.5 虛擬現實開發平臺
    虛擬現實開發平臺用于三維圖形驅動的建立和應用功能的二次開發,同時是連接虛擬現實外設、建立數學模型和應用數據庫的基礎平臺,是整個虛擬現實系統的核心,負責整個虛擬現實場景的開發、運算、生成,連接和協調各子系統的工作和運轉。

    4 關鍵技術

    key technology

    vr關鍵技術 VR 技術呈現以渲染能力提升和技術發展為基礎, 屏顯技術完善為展現依托, 豐富的智能定位技術為互動保證,虛化了虛擬世界和真實世界的界限, 使之達到某種程度上的融合。 4.1?VR 渲染技術 當前主要的技術研究方向,都集中在降低 GPU 消耗的基礎上, 確保更多的計算平臺具有支持 VR 的能力。 Nvidia 推出了 MRS (multi-resolutionshading), 即多重分辨率著色渲染技術, 采用分區域差別分辨率的方法, 降低消耗; 為了提升精確度, 國內外廠商分別提出相似的解決方案, 其中典型代表為國內某公司研發的焦點渲染(Foveated rendering) 技術。 (1) 多重分辨率著色渲染技術: 采用將將整體渲染畫面分區域模式, 按照從中央到兩邊采用不同的分辨率方法, 降低 GPU 渲染壓力。 ① 技術原理: MRS 技術不再將整個畫面以相同的分辨率渲染, 而是分區域采用差異化處理, 人眼看到的主要中央區域,以完整的高分辨率,邊緣則以更低質量進行渲染。 ② 硬件支持: 使用 Nvidia Maxwell 架構的顯卡, 包括 GeForce Titan X 和 GTX 900 等系列 ③ 應用效果: 據稱效率提高大概 50% 左右, 如原來渲染 90 幀 / 秒, 采用 MRS 技術可以做到 140 幀 / 秒左右。 (2) 焦點渲染技術: 主要針對多重分辨率著色渲染技術渲染區域劃分較為粗糙, 采用眼球追蹤技術使之精細化。 ① 技術原理: 在 MRS 基礎之上, 使用眼球追蹤技術開發出以人眼關注的焦點區域采用高分辨率, 其他區域逐步從焦點向外遞減的渲染技術, 進一步縮小高清渲染的范圍, 并且提升用戶體驗 ② 應用效果: 據稱可以將渲染像素降低到 MRS 方案的 10% 左右, 將當前可以支撐 VR 的 PC 設備從當前僅有的 10% 提升至 30% ③ 其他相似技術: Tobii、 SMI、 FOVE 和 Eyefluence 等。 4.2?VR 屏顯技術 VR 顯示屏幕主要包括 OLED、 LCD 兩種類型, 其中OLED 采用有源陣列有機發光能夠做到低余暉, 不過在每個像素間存在分割網格的問題; LCD 采用背投光源顯示,每個像素都被動發光, 相對較為容易產生嚴重余暉現象。從業界選擇趨勢來看, 似乎 OLED 是主流, 不過國內廠商可能受制于訂貨量和價格因素, 還有很多采用 LCD 屏。 (1) LCD ① 屏顯原理: 普通的液晶顯示屏(LCD) 是一種介于固態與液態之間的物質, 本身是不發光的, 需借助要背光燈才行。 因其無法控制到每個像素, 當每一幀像素都在發光時, 就會出現余暉, 所以, LCD也被稱為 “ 全余暉” 顯示 ② 優點: 整體顯示無網格, 場景亮點較高 ③ 缺點: 余輝嚴重, 延遲長。 (2) OLED ① 屏顯原理: 無需背光燈, 具有自發光的特性,所以 OLED 可以做到低余暉顯示, 并且它的響應時間是LCD 的千分之一, 顯示運動畫面不會有拖影等現象 ② 優點: 低余輝, 顯示延遲短 ③ 缺點: 每個像素間都會有網格, 需調低顯示亮度。雖然 OLED 屬于低余暉顯示, 但為了達到更好地顯示效果, 實現 VR 虛擬環境與真實人眼看到的實際環境在亮度、 參考物體無限接近, 還是需要進行低余暉處理。 4.3?VR 定位技術 VR 沉浸式體驗主要來自于立體化顯示和精準的定位技術, 使得用戶產生的自身身體運動融入 VR 虛擬環境中,主要定位技術有: 紅外定位、 激光定位、 可見光定位、 低功耗藍牙定位等。 (1) 紅外定位 ① 技術原理: 利用多個紅外發射攝像頭、 覆蓋室內定位空間, 在被追蹤物體上放置紅外反光點, 通過捕捉反光點紅外反射影像, 確定用戶在空間中的位置 ② 優點: 定位精度高, 如果采用幀率很高的攝像頭,延遲也很低, 具有較好的效果 ③ 缺點: 造價較為昂貴, 一個 120 幀的攝像頭, 造價超過 1000 美元 ④ 應用情況: VR 影視制作、 動畫錄制等商用方向。 (2) 激光定位 ① 技術原理: 利用激光發射器(定位光塔), 發射橫豎兩個方向的激光, 被定位物體上安置多個激光感應接收器, 通過計算兩束光線到達定位物體的角度差, 計算出待測定位節點在定位空間中的坐標 ② 優點: 成本低, 定位精度高(mm 級) ③ 缺點: 需 要 一 定 封 閉 空 間, 例 如 HTC Vive 的Lighthouse 需要 5*5m 空間, 而且會有多人遮擋的問題 ④ 應用情況: HTC Vive的 Lighthouse和 G-Wearables的 Step VR 等。 (3) 可見光定位 ① 技術原理: 用攝像頭拍攝室內場景, 追蹤主動發光的標記點(類似小燈泡), 通過實時獲取針對不同位置不同顏色的標記點位置, 實現物體定位 ② 優點: 算法簡單、 價格便宜、 容易擴展 ③ 缺點: 精度方面不如激光和紅外方式 ④ 應用情況: The Void, Zero Latency 和很多國內的線下 VR 體驗店等。 (4) 低功耗藍牙定位 ① 技術原理: 通過接收低功耗藍牙通信功能的設備發送特有 ID, 利用算法軟件計算跟蹤物體的位置 ② 優點: 移動性強, 高端手機支持 ③ 缺點: 精度低、 對終端有一定要求。

    5 國內外發展研究現狀

    Development and research status at home and abroad

    5.1?國際發展現狀
    目前 VR 技術已經逐漸走向成熟,并且向著視覺、聽覺、觸覺多感官沉浸式體驗的方向發展。同時,相應硬件設備也在朝著微型化、移動化發展。美國紐約州立大學石溪分校聯合 Nvidia 和 Adobe 公司已經開發出一種系統,可以利用人眼的掃視抑制現象和眼球追蹤技術,為用戶提供在大型虛擬場景中自然行走體驗。據報道,一家名為 MojoVision的初創企業宣布有望將其 VR設備縮到隱形眼鏡大小,并在 2020 年推出相關商用產品。在 GDC2018, Oculus 推出的 Oculus Go 為頭戴式 VR 設備提供了立體聲效果,其揚聲器位于頭顯內側,用戶無須佩戴耳塞就能以接近自然德方式體驗到虛擬場景中的聲音。它所使用的定向揚聲器設計,使該設備的聲音不會影響周圍。洛桑聯邦理工學院(EPFL)和蘇黎世聯邦理工學院(ETH)組成的科研團隊開發了名為“ DextrES”的輕量級觸覺反饋手套。該設備總重僅 40 g厚度僅 2 mm,而附著在用戶手指上的傳感器和反饋裝置總重更是低至 8 g,能夠為 VR 用戶提供更接近自然的觸覺反饋。

    5.2?國內發展現狀
    ?VR 產業發展近幾年也處于上升趨勢。根據IDC2019 年公布的《中國 VR/AR 市場季度跟蹤報告》,2019 年第一季度我國 VR 頭顯設備出貨量接近 27.5 萬臺,同比增長 15.1%,其中頭顯設備出貨量同比增長 17.6%。在“ 2018 國際虛擬現實創新大會”上,專家學者們探討了 VR 產業的發展現狀和未來動向。會上公布的《中國虛擬現實應用狀況白皮書(2018)》對我國 VR 應用狀況展開了全面的探討和分析,涉及相關企業、單位數量 500 余家,為我國 VR產業從萌芽向商業化、規?;D變標明了方向?!栋灼分羞€提到,我國目前 VR 產業的重點企業主要分布位置在北京、上海、廣州 3 個城市,同時在青島、成都、福州等 12 個熱點地區也有分布,主要涉及內容開發、終端設備、網絡平臺等細分行業。5G 技術帶來的高帶寬和低時延等優勢,將為 VR、 AR及相關音視頻業務的發展提供關鍵支撐,云 VR、 VR 實時直播開始興起。 2018 年西班牙 MWC 上,華為 VR Open Lab 聯合“視博云”發布了 Cloud VR,其依靠 5G 和云技術將 VR運行能力由終端向云端進行轉移,以此推動 VR 和 AR 應用在智能手機端。 2019 年 1 月,中國電信在深圳完成了首次央視春晚特別節目的 5G 網絡 VR 現場直播,這是央視第一次通過 5G 網絡進行 VR 超高清春晚節目直播。

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