可穿戴虚拟现实设备：带你进入另一个世界



可穿戴虚拟现实设备：带你进入另一个世界

信息技术的发展伴随着交互技术的不断演进，未来普适计算的人机界面必是智能、自然、人性化的。以多通道自然交互为核心的虚拟现实，定义了一种新的交互模式，将会是下一代计算平台的核心构件之一。

□文/孙其民

随着智能手机技术和智能硬件技术的发展，虚拟现实（Virtual Reality，简称 VR）产品具有了低成本小型化的实现条件，到了可以让个人消费者用户使用的阶段。所以经过多年沉寂，在2013 年Oculus推出可穿戴式虚拟现实设备后，虚拟现实再次成为全球关注的焦点，到2014年可穿戴式虚拟现实设备开始进入快速发展阶段，电子设备厂商、智能硬件厂商、智能手机厂商、互联网公司等不同行业纷纷介入，2015年可穿戴虚拟现实设备呈现井喷之势，一时出现众多品牌的设备。英国市场研究机构Juniper Research预测可穿戴虚拟现实头显设备（Virtual Realty Head Mounted Display，简称VR HMD）2016年全球出货量为300万台，到2020年将会增长到3000万台。高盛预测到2025年VR市场营收预期将达800亿美元，乐观预期可达到1820亿美元。自从Facebook收购Oculus之后，虚拟现实成为资本追逐的新宠，互联网、手机厂商等巨头高调进入开始布局，众多创业公司纷纷涌现。作为一项被视为会对信息技术发展产生深远而广泛影响的技术，Gartner 从2013年开始也持续对VR进行跟踪分析和预测。

图1　可穿戴虚拟现实系统的技术原理示意图

生成虚拟的三维场景

虚拟现实（Virtual Reality）是利用计算机技术生成虚拟的三维场景，并结合多种交互设备，让体验者可以跟虚拟场景互动，体验者通过交互得到的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉综合等感知，使其有“身临其境”的感觉效果。

可穿戴虚拟现实系统是指以头戴式显示设备实现VR沉浸式显示的虚拟现实系统，因此其核心设备是虚拟现实头显（VR HMD，以下简称VR头显），也称为VR眼镜或VR头盔。但VR HMD并不一定是虚拟现实系统的全部，要配置一套完整的VR系统可能还需要很多其他配套的设备，而且有的设备很可能比VR HMD更复杂、更贵重。

虚拟现实系统有三个本质特性，称为“3I”特性，它们分别是沉浸、交互和想象。

沉浸（Immersion）是指体验者的感官通过在VR环境获得的感知以为是在真实的环境中；交互（Interaction）是指体验者能够和虚拟环境之间进行互动；想象（Imagination）是指体验者感官受刺激后在其大脑中可以产生幻象。

由于这些特性，VR成为人们和计算机系统交互的一种新模式。VR对交互要求极高，包括交互方式多样性、自然性以及交互的品质都有很高的要求。实质性的需求对技术进步的推动是最大的，因此VR的兴起将会极大地推进人机交互技术的革命。

VR系统的三类设备

一套完整的虚拟现实系统包括体验者、体验者所在物理环境和VR设备组成。可穿戴虚拟现实系统中的设备分为三类：VR头显设备、VR交互设备和VR场景处理器。

VVRR头显

主要功能是实现立体视觉、声音输出和头部跟踪。VR HMD通常会集成一些传感器实现部分交互输入的功能，基于9轴陀螺仪跟踪头部三自由度转动已经成为VR头显的标配。另外，VR头显还可以集成一些其他的可选交互传感器，以实现比如眼球跟踪或者头部位置跟踪等功能，当然这些完全由头显厂商决定。

现阶段，常见的VR头显设备有四种（如表1所示），是根据VR头显中是否有显示屏、VR场景处理器以及它们的结合方式来划分的。

PPC VR头显（也称为主机VR头显），它是以PC主机或者游戏服务器作为VR场景处理器的一类VR头显，往往GPU图形处理性能较强大，可运行场景复杂度高的VR游戏。

手机VR头显（也称VR手机盒子），是指以智能手机作为VR场景处理器的一类VR头显。由于智能手机性能远不如PC机的配置，所以一般可运行轻型VR游戏和视频。

VR一体机是指在一个设备壳体中同时装配有显示屏及VR场景处理器的VR头显。而VR分体机是指一套可随身便携的可穿戴VR设备，它包括VR头显和VR主机盒子两部分，两者之间可以通过有线和无线连接。VR分体机的主机盒子一般采用移动计算平台架构实现，配有可充电电池，实现可移动性和便携性。分体机的处理性能定位和比一体机高但是低于PC机的配置。

VR交互设备

VR交互设备是指与VR头显配套增强VR交互体验的外围设备。常用的有：动态手势识别跟踪设备、手柄等手持式游戏操控设备、位置跟踪设备、体感运动捕捉交互设备、全向运动平台、模拟驾驶器、可穿戴智能硬件设备（包括：智能戒指/智能手环/体感背心/肌电臂带）、力反馈设备、数据手套等。

VR场景处理器

VR场景处理器是指用于生成VR场景的计算机系统。它由于场景渲染的需要，对图形渲染能力要求较高，一般配置较高档的显卡，比如一般选择 NVDIA GTX970以上级别的显卡。同时，根据VR丰富交互的要求，它需要有足够的交互设备通信接口，包括有线方式和无线方式。VR视频输出一般采用HDMI连接方式。

VR场景处理器可以是台式机、笔记本电脑、智能手机，以及专为VR目的设计的计算机系统。

图2　虚拟显示系统“3I”特性

孙其民 深圳市掌网科技股份有限公司技术总监

表1 虚拟现实头显设备类型表

VR设备的关键技术

1.沉浸式立体显示光学设计。要尽量满足任意使用者的个性化视力特点，并有尽量好的视觉沉浸感和画面真实感。

2.高精度、高帧率的屏幕显示技术。120帧、4K分辨率是实现VR头显较好效果的硬件指标理论下限，更高的要求现在还难以达到。

3.高速运动捕捉跟踪技术。高速、高精度的运动捕捉跟踪是实现虚拟人替身和真人空间匹配的根本。

4.虚拟场景高效渲染技术。VR引擎和底层图形系统的高效渲染是降低延迟时间的重要方面，需要从软硬件两个方面综合进行提升，比如显卡厂商开发的双GPU渲染技术，通过给立体视觉的每一只眼睛分配一个GPU，实现双路同步渲染，并尽量减少重复的渲染计算工作量，另外还有降低时延的Time Warping技术、Front buffer Rendering技术等。

5.多通道交互技术。虚拟现实系统天然地适用多种不同自然交互方式，这会极大地提升VR的易用性和多感官沉浸感。当然实现多种并行、异构、多语义交互信息的冲突处理和融合利用是非常具有挑战性的工作。

衡量虚拟显示系统的主要指标

评估一个虚拟现实系统，可主要从以下几个方面进行。

1.视觉显示的沉浸感和真实感。主要从视场角、画质、运动画面刷新速度等方面分析。其中画质主要包括画面颗粒度、扭曲变形度、色彩偏差等几个方面。视场角的大小是要根据显示屏尺寸和画质要求综合确定的，并不是越大越好，片面地宣传视角属于不负责任地误导VR消费者。

2.声音的沉浸感。声音的沉浸感主要包括声音的空间感和音质。声音的空间感，是希望体验者可以听到不同方向有不同的声音。

3.运动响应的实时性。VR场景是一个高动态的场景，当体验者与VR场景互动时，如果其观察方向变化比较快时，要求VR场景处理器能够足够快地响应并在可接受的时间里刷新显示和声音及其他一些交互输出。如果画面刷新过慢，会出现明显的拖尾和卡顿现象。

4.体验者的舒适度。设备的材质、重量、人体工学设计，对体验者身体特点的适应性，如光学设计比较适合体验者的视力特点，则体验者的视觉舒适度就较舒服，反之就较差。

5.交互操作的效率和自然性。穿戴式VR遮蔽了体验者的眼睛，交互操作需要键盘鼠标以外的交互外设和交互方式，需要既高效又比较接近真实生活中的交互方式。

阻碍VR设备发展的主要技术因素

显示屏及驱动芯片

VR对显示屏最基本的要求是分辨率和刷新频率。目前采用的都是智能手机屏和基于现有手机屏技术标准定制的特殊尺寸屏幕。可以预见显示屏在2016年将达到4K@120帧，但是配套的驱动芯片是否能达到同步大量供应还不确定。

VR场景渲染

现在显示屏指标可达到2K@120帧，对后端场景图形渲染性能带来的压力成数倍提升，目前单GPU的图形架构已经很难支撑，并行渲染是VR的发展方向。4K甚至更高的显示输出期望短时间内实际还不具备成熟的底层支持，不但是指图形硬件架构，而需对VR的整个显示处理逻辑和算法进行整体的优化。

交互信息采集和处理

随着视频显示从60帧提升到90帧，再到120帧，每一帧间隔的时间越来越短。每一帧的生成都需要考虑交互对渲染的影响，比如视线变化、场景变动等，这就要求交互信息的采集和处理速度足够快，才能够让体验者感觉虚拟场景运动是自然的。其实人的一些动作、场景中的一些运动速度是可以很快的，如果慢了，会让体验者感到不真实，严重情况下还给体验者带来不适感，形成所谓的晕动症。有些交互方式从传感信号采集到识别出交互信息可能需要比较复杂的计算处理，很可能达不到较高的实时性。

光学设计与视力的匹配

目前主流的VR HMD都是基于放大镜原理来扩大视场，采用手动调瞳距的方式来辅助适配瞳距，采用允许佩戴眼镜或者等效的方式来适配不同的眼镜。但是，实际上这样还是比较粗略的适配，特别是人的眼球是不断转动的，即使采用眼球跟踪技术也难以精确实时测定眼睛的视力变化。但是视觉分辨率是人最敏感的感官，对细微变化的觉察度非常高。这也是现在VR HMD不建议长时间佩戴的原因，主要是从健康安全方面考虑。将来新的显示技术和光学方案可能会有根本性的改变。

影响VR发展的产业性问题

1.产业链尚未完成配套。许多VR厂商如雨后春笋样冒出，产业链上下游尚未对VR做好准备，比如显示屏供应商先是观望，然后支持，到现在开始主动参与到VR产业并作为转型的机遇，这是有一个过程的，并且这个过程尚未在产业层面完成。显示屏的标准目前还是手机屏的标准，屏厂按照这个标准向VR头显设备商出货，按照手机屏标准合格的屏在VR头显中很可能是不合格的，因为它的评判标准不一致，这就是产业链错位造成的。

2.缺乏优质VR内容。VR游戏、应用、视频内容制作与传统的游戏、视频制作具有相当大的共同点，但是也有自己独特的规律，要适应VR场景交互的特点和VR设备的技术特点。优质的内容对VR设备的推广应用是必不可少的。VR内容作为VR产业链的一环，应与VR设备厂商共同发展、紧密合作，推动内容制作和设备接口标准化。

3.缺乏行业标准。行业的早期“八仙过海各显其能”是一个必然的阶段，但是标准化工作应该适时导入，对行业技术发展进行引导，加速产业链整合，通过标准化降低企业产品研发成本、提升产业运作效率，使整个产业有序、快速发展。当前，业界对VR的大趋势已经认同，产业链各层面已经有大企业进入，所以已经具备开始筹划标准启动的条件。

推动VR行业不断发展

未来VR行业需要建立开放的行业联盟，推动VR行业标准形成，指导行业发展。加快产业链配套整合，奠定坚实的产业基础，形成跨行业合力。突破VR核心新技术，提高技术的普适性，形成新型计算平台。加快VR内容开发技术研究和内容制作，与其他媒体和文化产业融合，推动VR行业应用及大众化普及应用。