Oculus,HTC,Sony这些 VR 头戴显示器是如何工作的?

摘要

被 VR 头戴设备搞得晕头转向?让我们先搞清楚它的原理吧。

本文编译自 Wearable


VR 的工作原理是什么?这项可穿戴技术是如何让你感觉自己好像置身火星,实际上却要撞上自家的橱柜的?今天我们就来说说关于头戴设备最基础的部分。

实际上,Oculus,Sony,三星,Google 他们使用的 VR 技术都离不开三样东西:PC,游戏主机或者手机来运行应用或者游戏,能够在你眼前显示的屏幕(这可以是手机的屏幕),以及用于输入的设备——头部追踪,控制手柄,手势追踪,语音控制,设备上的按钮或触控板。

绝佳的沉浸式体验是每一个 VR 头戴设备的制造商,游戏或是应用开发者的目标——一旦实现就可以让虚拟世界变得足以以假乱真,以至于我们忘记了电脑,头戴设备和其他附件的存在,让我们在虚拟世界和现实世界言行一致。那么,我们怎样才能做到那样?

「眼镜盒子」与头戴显示器

像 Oculus 和 PSVR 一样的头戴设备通常指的是 HMD(Helmet-Mounted Displays,头盔显示器),这意味着它们会在头上附带显示器。即使是没有音频也没有头部追踪,只拿着 Google Cardboard,将手机屏幕放在你的眼前也足够在虚拟世界里营造出半沉浸的感觉了。

不断改进硬件的目标是为了创造出和一个实际生活一样,没有边界的 3D 虚拟环境——通常情况下,我们只能在电视或者电脑屏幕上看到这样的虚拟环境。所以,无论你朝哪边看,挂在在你脸上的屏幕都会跟着你的效果。这和将虚拟影像加入到你在真实世界所看见的景象的 AR 技术不一样。

VR 设备中,有些影像是从游戏主机或者电脑上通过 HDMI 数据线传输到头戴显示器上来的,比如 HTC Vive 和 Oculus Rift。而对于 Google Cardboard 和 三星 Gear VR 而言,它们的影像已经呈现在屏幕上了,只需要通过头戴设备展示出来。

VR 头戴设备将信号输送到一块屏幕或者两块 LCD 显示上来。但你的眼睛和屏幕之间还隔着镜片,这也就是为什么这些设备被称之为「眼镜」的原因。在一些设备中,你还可以调节两个镜片之间的距离——因为人与人之间的瞳距是不一样的。

这些镜片通过对焦和二次成像来修正每个眼睛看到的图像,改变 2D 图像的角度来模仿立体 3D 影像在不同眼睛里的模样。你可以试着闭上一只眼睛,然后快速反复地来回切换眼睛观察物体,你就能明白上述的原理了。

VR 设备增强沉浸感的另一个重要方式是增加可视范围。比如,图像的宽度。360° 的屏幕太贵且不必要。大多数高端的设备都是在 100° 到 110° 之间,这已经足够使用了。

为了让 VR 设备显示的图像足够欺骗人脑,至少需要约 60 帧/秒的刷新率,才能够保证用户不会眩晕和恶心。而目前的 VR 头戴设备则远超过这个水准——Oculus 能够保证 90 帧/秒,而 Sony 的 PSVR 则能达到 120 帧/秒。

头部追踪与必不可少的沉浸感

头部追踪意味着当你头戴一款 VR 设备之时,你眼前的景象会随着你上下左右转动头部而改变。一套名为 6DoF(six degrees of freedom)将你的头部移动转化成 x,y,z 三个维度,来精确测量头部的前后左右移动等等动作。

运用在头部追踪系统内的有一系列不同的内部组件,比如陀螺仪,加速计和磁力计。Sony 的 PSVR 同样也在头盔上用到了 9 颗 LED 灯,辅以 PS4 上的摄像头监视提供 360° 头部追踪,Oculus 也有 20 颗灯,但是它们不如 Sony 的更有标识度。

实现头部追踪技术必须降低延迟——我们说的低延迟是 50ms 或更低,让我们在移动的时候,能够感觉不到画面的异步。Oculus Rift 将延迟降低到了 30ms,让人印象深刻。降低延迟对于任何动作追踪输入的装置都是至关重要的。

最后,耳机也能用于提高沉浸感。双耳或 3D 音频可以被用在应用和游戏中去,与头部追踪技术一块应用,给予穿戴者以临场音效感受。

想要真的在虚拟世界「动起来」?

相对于 Cardboard 似的设备而言,至今为止头部追踪依然是那些尚未正式发售的高级头盔的最大优势。但是 VR 领域的「大玩家」们仍然致力于开发动作追踪的功能。当你戴着 VR 头盔向下看的时候,你想做的第一件事肯定是看看自己的手在虚拟世界中的样子。

我们已经见识过 Leap Motion 的配件——使用红外线传感器来追踪你的手部动作。我们也用 Kinect 2 摄像头做过一些追踪全身动作的实验。但目前我们已经有的是来自 Oculus,Valve 和 Sony 的输入设备。

Oculus Touch 是一套无线控制器,设计的初衷是让用户在虚拟空间里如同使用自己的手一般使用它。比如,在射击游戏中,你可以通过扣下扳机来射击。在控制器上也还有一系列的传感器阵列以识别如点按,挥手等动作。

这和 Valve 的 Lighthouse 定位追踪系统以及 HTC Vive 的控制器原型特别相似。它在房间里包括两个基站,并且将整个房间布满激光。它能通过你头部和手上光电管传感器相互碰撞的时机来准确地检测到你的头部和手的位置。和 Oculus Touch 一样,它也具备有特色的物理按钮,更难以置信的是,在同一空间内用两套 Lighthouse 系统可以追踪多个用户。

其他的输入方式还包括从 Xbox 控制器上的借鉴过来的控制器或者和 PC 连接起来的控制杆,语音控制,智能手套以及如 Virtuix Omni 一样的跑步机——它能帮助你在虚拟世界里更「优雅地」活动。

未开化却又十分有前景的眼部追踪

眼部追踪或许是 VR 拼图的最后一块。Rift,Vive 或者 PSVR 上还见不着这个技术,但它将会出现在 FOVE 众筹的 VR 设备上。那么它是什么原理呢?

通过一个内置在头盔里的红外线传感器,FOVE 能够知道你的眼镜在盯着虚拟世界的哪个地方。除了能让游戏中的角色能更快地感知到你在朝哪边看之外,它的另一个的优势就是能提升场景深度的真实性。

在标准的 VR 头戴设备中,每个事物都是泛焦的,不是我们在现实生活中习以为常的模样。比如,如果我们的眼睛看远处的物体,眼前的物体就会模糊掉。通过追踪我们的眼睛,FOVE 的绘图引擎可以在 VR 中的 3D 空间中模拟这种效果。没错,模糊也有好的一面。

我们的眼睛盯着的物体也需要和现实生活中一样。如果没有眼部追踪,那么你的眼睛看向远方之时,眼前的景象没有任何变化,会有一种不真实感。同样,模拟一定程度的恶心也是必要的。不然 VR 就不能给予你身临其境的感受。最后,头戴设备也需要高分辨率的屏幕来避免颗粒感。

(头图来自视觉中国)

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