VR技术，你真的了解多少？

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戴上一副眼镜，连接电脑或手机，你就能进入一个全新的虚拟世界，这种类似科幻电影《黑客帝国》里的场景正在我们身边发生，而让这一切实现的技术就是最近火得不行的“虚拟现实”，也就是许多人口中的VR（Virtual Reality）。

什么是VR？

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），即利用计算机发展中的高科技手段构造出一个虚拟的境界，使参与者获得与现实一样的感觉。

举一个例子，当你戴上特制的头盔与手套后，会发现你已置身于一个不受时空限制的历史的博物馆中，当你向前行走或者转头时，你所看见的景象也会随之改变，你可穿过大厅，推开前面的大门，当你看见一件精美的展品时，你甚至可以上上下下、里里外外仔细地观摩——这就是虚拟现实技术带来的真实感觉。

VR技术，是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。虚拟现实（VR），看到的场景和人物全是假的，是把人的意识代入一个虚拟的世界。

VR像做梦，看到的场景和人物全是假的，是把你的意识代入一个虚拟的世界。简单的来说，就是你看到的东西都是假的，但是你的感觉是真实的，它就会给你一种身临其境的感受。

VR技术原理

人们在看周围的世界时，由于两只眼睛的位置不同，得到的图像略有不同，这种差别能让我们感知到深度，让事物看起来立体。VR技术也是利用这种视觉差别，替我们的双眼安排不同的画面，从而让我们感觉到画面的立体性。与3D电影不同，VR强调的是360度全景交互，不仅有强烈的沉浸感和立体感，更重要的是允许用户和虚拟世界进行交互。

在人造环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置，而用户也是如此，用户看到的景象是由用户的位置和头（眼）的方向来确定的。跟踪头部运动的虚拟现实头套可以感知我们的头部动作。

这样，当我们在移动时，虚拟世界中的我们就能同样的移动，当我们向左看，虚拟现实头套可以识别这一动作，这时硬件会及时渲染出左边的场景。如此，当我们往左看时，就能看到左边的场景，往右看时，就能看到右边的场景，避免了场景不跟随我们目光移动的意外。

VR技术前世今生

1956年：Sensorama

1956 年，摄影师Morton Heilig发明了Sensorama，一款集成体感装置的3D互动终端，它集成3D显示器、立体声音箱、气味发生器以及振动座椅，用户坐在上面能够体验 到6部炫酷的短片，体验非常新潮。当然，它看上去硕大无比，像是一台医疗设备，无法成为主流的娱乐设施。

1961年：Headsight

1961年，Headsight问世，是世界上第一款头戴显示器。它有飞歌公司研发，融合CCTV监视系统及头部追踪功能，但本质上，它的主要目的是用于隐秘信息查看，而非娱乐设备。

1966年：GAF Viewmaster

这款GAF Viewmaster是最早的3D头戴设备之一，通过内置两颗镜片来观赏幻灯片，具有一定的3D效果，但更像是儿童玩具，而非专业的影音设备。其后续版本还加入了音频功能，实现简单的多媒体功能。

1968年：Sword of Damocles

1968年问世的Sword of Damocles（达摩克利斯之剑），是麻省理工学院实验室研发的头戴显示器，其设计非常复杂，组件也非常沉重，所以需要一个机械臂吊住头戴来使用。

1980年：Eye Tap

这款Eye Tap看上去与微软的HoloLens非常相似，严格意义上它也的确是一款增强现实设备，可以连接计算机摄像头，将数据叠加显示在眼前。当然，今天人们对虚拟现实和增强现实已经有了更明确的定义，但Eye Tap对于虚拟现实技术的发展还是具有一定意义的。

1984年：RB2

RB2可以说是第一款商业虚拟现实设备，其设计与目前主流产品已经非常相似，并且配有体感追踪手套，可实现操作。然而，其经过高达50000美元起，在1984年无疑是天价。

1985年：NASA头戴显示器

1985年，NASA（美国航空航管理局）研发出真正的LCD光学头戴显示器，其设计结构被目前的虚拟现实头戴广泛采用，只不过将LCD换为更低功耗、显示效果更好的OLED。另外，它还具有头部、手部追踪系统，可实现更加沉浸式的体验，被用于模拟太空作业等方面。

1993年：世嘉VR

著名游戏厂商世嘉曾计划在1993年发布基于其MD游戏机的虚拟现实头戴显示器，设备看上去非常前卫。遗憾的是，在早期非公开试玩测试中，测试者反应平淡，最终世嘉以“体验过于真实、担心玩家会受到伤害”为理由，取消了该项目。

1995年：任天堂Virtual Boy

1995 年，任天堂发布32位游戏机Virtual Boy，这是一款非常另类的游戏机，其主机是一个头戴显示器，但只能显示红黑两色。另外，碍于当时技术限制，游戏内容基本上都是2D效果，再加上较低的分 辨率和刷新率，极易使用户产生眩晕和不适感。最终，任天堂的虚拟现实游戏计划在短短不到一年时间便宣告失败。

1995年：CAVE

1995年，伊利诺伊大学的学生们研发出“CAVE”虚拟现实系统，通过创建一个三壁式投影空间、配合立体液晶快门眼镜，来实现沉浸式体验，对于现代虚拟现实技术起到了极大地的推动作用。

2009年：Oculus Rift

毫无疑问，Oculus Rift复兴了虚拟现实技术，把它重新带回大众视野中。2009年，其创始人在Kickstarter上发起众筹活动，在很短时间内便获得超过10000 个支持者，备受关注。此后，第三方资金不断涌入，让Oculus Rift得以高速发展。

2014年，社交巨头Facebook宣布以20亿美元收购Oculus，Oculus Rift也在经过了数个DK版本之后，正式于今年1月开放消费者版预购、于3月在全球20多个国家及地区出货。至此，虚拟现实真正步入了消费电子市场。

从科幻到现实，从1957到现在，VR设备的发展被许多人形容为是“将梦变为现实”的过程，尽管还存在不足，还面临坎坷，我们依然有理由期待VR将有光明的未来，毕竟每项科技都是这样一路跌撞走来，渐渐成长的。

VR的主要核心技术

实时三维计算机图形

相比较而言，利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模型，又有足够的时间，我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像，但是这里的关键是实时。例如在飞行模拟系统中，图像的刷新相当重要，同时对图像质量的要求也很高，再加上非常复杂的虚拟环境，问题就变得相当困难。

虚拟场景显示技术

人看周围的世界时，由于两只眼睛的位置不同，得到的图像略有不同，这些图像在脑子里融合起来，就形成了一个关于周围世界的整体景象，这个景象中包括了距离远近的信息。当然，距离信息也可以通过其他方法获得，例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等。

在VR系统中，双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。

用户(头、眼)的跟踪：在人造环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态，而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头(眼)的方向来确定的。

头部追踪技术

在传统的计算机图形技术中，视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的，用户的视觉系统和运动感知系统是分离的，而利用头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来，感觉更逼真。

另一个优点是，用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动去观察环境，这样当我们在现实世界中移动，虚拟现实世界中的我们也就能同样地移动。

当我们向左看，头部追踪技术能够识别这一动作，这时硬件就会即时渲染出左边的场景，这样，我们往左看就能看到左边的场景，往右看则能看到右边的场景，而不会发生场景跟着我们移动的意外。

眼球追踪技术

其实，即使是手机VR盒子，都具备上述的几个关键硬件技术（手机通过陀螺仪模拟头部追踪），但眼球追踪，在VR领域中还算是比较稀有的玩意。

眼球跟踪技术是通过追踪我们的瞳孔实现的，算法能够根据我们注视的景物来变换景深，从而带来更出色的沉浸体验。

比如，伸出一只手指举在眼前，当我们注视着它时，手指前方的景物便会变得模糊，而当我们注视背景，手指又会变得模糊，这正是景深不同带来的变化。眼球追踪技术能够知道我们在看哪里，从而模拟景深的变化，让体验更加出色。

提起VR领域最重要的技术，眼球追踪技术绝对值得被从业者们密切关注。Oculus创始人帕尔默•拉奇就曾称其为“VR的心脏”，因为它对于人眼位置的检测，能够为当前所处视角提供最佳的3D效果，使VR头显呈现出的图像更自然，延迟更小，这都能大大增加可玩性。

同时，由于眼球追踪技术可以获知人眼的真实注视点，从而得到虚拟物体上视点位置的景深。所以，眼球追踪技术被大部分VR从业者认为将成为解决虚拟现实头盔眩晕病问题的一个重要技术突破。

声音技术

人能够很好地判定声源的方向。在水平方向上，我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向，因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。

常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的，所以会有一种方向感。现实生活里，当头部转动时，听到的声音的方向就会改变。但目前在VR系统中，声音的方向与用户头部的运动无关。

感觉反馈技术

在一个VR系统中，用户可以看到一个虚拟的杯子。你可以设法去抓住它，但是你的手没有真正接触杯子的感觉，并有可能穿过虚拟杯子的“表面”，而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。

语音技术

在VR系统中，语音的输入输出也很重要。这就要求虚拟环境能听懂人的语言，并能与人实时交互。而让计算机识别人的语音是相当困难的，因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。

手势跟踪技术

使用手势跟踪作为交互可以分为两种方式：第一种是使用光学跟踪，第二种是将传感器戴在手上的数据手套。

光学跟踪的优势在于使用门槛低，场景灵活，用户不需要在手上穿脱设备，未来在一体化移动VR头显上直接集成光学手部跟踪用作移动场景的交互方式是一件很可行的事情。但是其缺点在于视场受局限，以及使用手势跟踪会比较累而且不直观，没有反馈。这需要良好的交互设计才能弥补。

数据手套，一般在手套上集成了惯性传感器来跟踪用户的手指乃至整个手臂的运动。它的优势在于没有视场限制，而且完全可以在设备上集成反馈机制（比如震动，按钮和触摸）。

它的缺陷在于使用门槛较高：用户需要穿脱设备，而且作为一个外设其使用场景还是受局限：就好比说在很多移动场景中不太可能使用鼠标。

不过这些问题都没有技术上的绝对门槛，完全可以想象类似于指环这样的高度集成和简化的数据手套在未来的VR产业中出现，用户可以随身携带随时使用。

VR虚拟现实设备牌类

市面上的VR虚拟现实设备可分为三类：

需要配合PC设备的头戴式设备

比如Oculus Rift，HTC VIVE，是目前高端设备的代表产品，配置高、功能全、沉浸感佳，也是目前体验较好的设备，但价格高，对PC设备的配置有较高要求，部分玩家需要升级自己的PC硬件配置才能进行使用。

此类设备受限于线材和搭配电脑使用的特性，比较适合家庭或是体验中心这类室内使用。如果你想玩的爽，这么此类设备是你目前体验VR的最好选择。

搭配手机进行观看使用的VR虚拟现实眼镜

代表有三星GEAR VR，Google Cardboard等。此类设备必须搭配手机作为屏幕，核心部分是镜片材质。优势是使用方便，价格便宜，是目前普及最广、种类最多的一类虚拟现实设备，入门门槛低、成本低。

各种设备间的区别就是外观设计和所采用的镜片材质，但粗制滥造的居多，体验一般，带入感一般。对于网上相关评测所提到的沉浸感强烈、带入感明显这类的文章，不用去在意，说不好听些是虚假广告。

此类VR虚拟现实眼镜适配不同品牌的手机难，而且与手机厂商合作也比较难，因为部分手机厂商也在退出自己品牌的产品。

此类产品便携性较高，没有线材的束缚，适合室内户外使用。如果你预算没有太高，只是想体验VR，那么可以试试这类产品。建议你不要去购买那种十元包邮的纸质VR眼镜，那种基本就是用过一次就扔的产品。

自带主机、显示屏的VR一体机

具备独立处理器的头戴式显示设备，自带存储空间，同时具备了独立运算、输入和输出的功能，可以独立进行使用，类似于普通的平板配置。此类产品的价格均在千元以上，优势是可以独立使用，摆脱了搭配手机或是电脑使用的束缚，也是目前国产厂商在发力的地方。

同样这类设备便携性也比较高，适合室内户外使用。但个人对这种产品的认知是，超过2000元绝对不值得入手，直接首选第一类产品。性价比不突出，带来的体验也没有太强烈出色感。

VR技术的应用领域

游戏领域

从目前来看，正是由于游戏娱乐的需求，才会促成虚拟现实技术在科技行业中得到立足之地并迅速发展。所以，游戏娱乐是VR技术应用的第一大领域。

“3D技术出现的时候，人们认为它只能用于开发射击游戏和赛车游戏，但现在3D游戏已经普及。VR（虚拟现实）技术也会在20年后展现出同样结果。”索尼公司SCE总裁吉田修平在谈到虚拟现实技术时如是说道。

从虚拟现实技术发展现状来看，可以肯定的是，游戏既是其重要的应用方向之一，也为VR技术快速走向消费级市场起到了推进作用。

从最初的文字MUD游戏，到二维游戏、3D游戏，再到网络3D游戏，游戏在保持其可玩性和交互性的同时，逼真度和沉浸感一直在不断地提高和加强。

纵观游戏的发展历程，人类对于游戏的追求始终都在向着虚拟现实的方向前进。目前，在售的虚拟现实设备中的游戏多为一些Demo，对于玩家来说可玩性并不高，但足以体验到虚拟现实技术带来的震撼、新奇感受。

随着技术的成熟和市场的培育，VR技术所实现的沉浸式游戏体验必将成为游戏领域的下一个趋势。

而对于游戏外设而言，虚拟现实技术能够带来的想象空间十分广阔。除了目前比较常见的头戴式设备，体感设备也将会随着沉浸式游戏的深入发展而得到重生。

专业人士认为，体感设备只有配合上沉浸式游戏的玩法，才能实现物尽其用，如果玩家使用墨菲斯头戴显示器（Project Morpheus）在虚拟的空间内可以迅速做出反应，方法之一就是手上持有类似PS Move的3D体感定位装置。

VR技术在游戏领域正以日新月异的速度进行升级，众多硬件产品相继问世的同时，在软件方面也得到了Unity、Unreal Engine等引擎的支持，让开发者更为容易的接触到虚拟现实游戏。

影视娱乐领域

如果游戏没有成为虚拟现实技术的主要用途，那么必定非娱乐业莫属。电影院的观众已经在享受3D电影了，但是有了类似Oculus Cinema的app，观众可以更加沉浸在电影体验里。他们可以通过VR头显设备投射出的巨大虚拟屏幕看电影，就好像在自己的个人影院里。在图像和声音效果的包围中，他们会觉得自己身临其境。

工业制造和产品设计领域

现在，VR技术在工业领域上的运用变得越来越广泛，例如在汽车制造业中，VR技术已经在设计、零部件制造、组装和销售环节都有所应用。特别在外观设计上，厂商可以利用VR技术得到1：1的仿真效果，使设计中抽象的概念具体化。

而与工业息息相关的科研教学也正被VR技术的到来所改变。当前许多高校都在积极研究虚拟现实技术及应用，并相继建立了虚拟现实与系统仿真的研究室，将科研成果迅速转化为实用技术。

目前工业产品设计大多使用3DMAX等工具，虽然已有3D效果，但仍是在平面上进行设计，这严重的制约了设计者的想象力和产品开发的效率。

而虚拟现实技术的出现，不仅可以在产品设计前期做一些可行性的虚拟测试，而且在产品设计过程中利用虚拟现实来简化产品的设计操作，后期利用虚拟现实直接给用户模拟各种虚拟的场景和视觉效果，让设计师身临其境地测试产品效果，以更好地优化产品体验。

军事训练领域

即使在 VR 技术还没那么成熟的今天，VR 设备的用途也没有局限在游戏或影音领域。事实上，VR 设备早已经在军事领域大展拳脚。接近 40 年前，就有英国公司 Plextek 为英口口方开发了一套 VR 训练系统，帮助他们进行模拟实战以及医疗救护训练。

现在，UK 的大兵们也与时俱进的带上了 Oculus Rift，在完全身临其境的环境进行逼真的“实战”。

除了英国之外，澳大利亚国防部的国防科技集团（DST）也与 Oculus 公司达成合作，希望通过 VR 这种成本相对较低而且仿真度较高的方式去训练以及教育士兵。

2012年，美国军方将专业虚拟现实硬件和软件应用于部队训练。目前仿真训练用于包括战斗模拟、战争模拟和医疗兵训练。这些模拟使士兵在危险场景下得以训练，与传统方式相比更具成本效益。

教育领培训域

虚拟现实与增强现实技术有潜力成为教育领域的标准工具，能够变革学生在基础教育和高等教育（大学及以上）阶段的受教方式。教师可以利用虚拟现实或增强现实技术让学生们在3D环境中与物体进行互动。例如：学生可以通过与虚拟世界的互动，了解太阳系或历史事件。

比如说虚拟实验室，学生可以通过操作虚拟实验器材进行实验，就可以不用危险的化学品避免安全问题，同时也可以多次实验，更深刻地、形象地理解科学原理。还有一种是虚拟的训练，比如说维修汽车，各种器件的安装、维修等过程都可以通过虚拟的设备来进行培训。

在医学教学领域中，用VR技术呈现人的身体结构，让学生可以更直观清晰地认识到人体构造的模样，这教学的效果比我们书面理论的教学方式高了很多倍。

医疗保健领域

医疗保健一直都是虚拟现实技术的主要应用领域。一些机构利用计算机生成的图像来诊断病情。

虚拟现实模拟软件公司Surgical Theater and Conquer Mobile，使用CAT扫描或者超声波产生的诊断图像来生成患者解剖结构的3D模型。虚拟模型帮助新的和有经验的外科医生来决定最安全有效的方法定位肿瘤，决定手术切口，或者提前练习复杂的手术。

除了手术，虚拟现实可以用作一种高性价比而且有趣的康复工具。在欧洲中风和脑损伤的病人现在可以使用MindMaze创造的沉浸式虚拟现实疗法恢复运动和认知能力，据该公司所说，恢复速度要比传统的物理疗法更快。MindMaze里的虚拟练习和实时反馈让恢复过程好像是玩游戏，有助于鼓励患者每天练习活动。

除上以上这些，实际上目前VR虚拟现实技术还广泛的应用于城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、房地产销售、水利电力、地质灾害等众多领域，为其提供切实可行的解决方案。

当前VR虚拟现实存在的技术难点

VR虚拟现实的理想状态是让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物，但目前我们的技术还并没有完全达到，那么虚拟现实VR技术还存在哪些技术难点需要攻克呢？

大范围多目标精确实时定位

当前，虚拟现实产品的定位主要依靠Light House来完成。Light House包括红外发射装置和红外接收装置。

红外发射装置沿着水平和垂直两个方向高速扫描特定空间，在头盔和手柄上均布有不少于3个红外接收器，且头盔（手柄）上所有的红外接收器之间的相对位置保持不变。

当红外激光扫过头盔或手柄上的红外接收器时，接收器会立即响应。根据多个红外接收器之间的响应时间差，不仅可以计算出头盔（手柄）的空间位置信息还能得出姿态角度信息。

目前虚拟现实产品只能工作于一个独立的空旷房间中，障碍物会阻挡红外光的传播。而大范围、复杂场景中的定位技术仍需突破。多目标定位对于多人同时参与的应用场景至关重要。

当前的虚拟现实系统主要为个人提供沉浸式体验，例如单个士兵作战训练。当多个士兵同时参与时，彼此希望看见队友，从而到达一种更真实的群体作战训练，这不仅需要对多个目标进行定位，还需要实现多个目标的数据共享。

“沉浸体验”和“真实感”的平衡

沉浸体验常被作为衡量虚拟现实好坏的一个重要指标，然而在当前的技术条件下，沉浸体验却成了另一个衡量指标——画面“真实感”（即清晰度）的“天敌”。想要画面变得更真实，就需要高清晰度来支持，如果清晰度提高了，那么画面就会离人眼更远，从而降低沉浸体验。

之所以会如此，主要是因为屏幕分辨率的限制。我们可以理解为，离屏幕越近，颗粒感越强，而颗粒感，通过透镜放大后进一步明显，从而使得人眼获取的实境比较模糊。如果分辨率没有高到一定程度，就无法解决这个难题。

屏幕刷新率

刷新率，顾名思义，就是显卡将显示信号输出刷新的速度，比如60Hz就是每秒钟显卡向显示器输出60次信号，刷新率是由显示器决定的，刷新率越高画面延迟就越低。

120HZ的屏幕刷新率是保证VR画面接近于现实的最低要求，当前手机屏幕的刷新率基本还停留在60HZ水平，PC显示器可以满足。同时，刷新率的提升，会对芯片的计算、功耗造成很大压力， 这对设备的硬件提出了更高要求。

眩晕感和人眼疲劳

目前，虚拟现实体验上的最大问题就是眩晕感。体验者在适应全新的感官环境时，可能会出现类似晕车的状况。虽然一些研究人员表示在虚拟影像中添加一个鼻部图像，可能会帮助体验者更好地适应，但目前尚未得到虚拟现实设备及软件厂商的支持。

虽然一些高端设备在不同程度上解决了眩晕感的问题，但因体验者自身身体状况、适应能力的影响，还是无法完全避免眩晕感的产生，目前所有在售的虚拟现实产品都存在导致佩戴者眩晕和人眼疲劳的问题，其耐受时间与虚拟现实画面内容有关，且因人而异，一般耐受时间为5～20min，对于画面过度平缓的VR内容，部分人群可以耐受数小时。

更丰富的感知

视觉是人体最重要、最复杂、信息量最大的传感器。人类大部分行为的执行都需要依赖视觉，例如日常的避障、捉取、识图等。但视觉并不是人类的唯一的感知通道。虚拟现实所创造的模拟环境不应仅仅局限于视觉刺激，还应包括其他的感知，例如触觉、嗅觉等。

视频编辑缝合效果

谈到虚拟现实，最近几年VR视频编辑也是大火。单单从拍摄的角度来说，VR视频拍摄与传统拍摄最大区别就是在于后期的工作，传统拍摄后期只有2~3个环节，就是剪辑，渲染加一些效果沉淀，虚拟现实全景拍摄制作的环节除了传统环节之外，更重要的是缝合的技术。

移动和固定的机位最大的不同就是固定的机位缝合的时候都是固定的机位缝合一遍之后，缝完第一帧之后都是固定机位，复制到以后的时间就可以了，但是移动的机位每一时每一刻甚至于每一帧都是不同的，都需要去缝合的。

虽然现在市面上一些制作者或者公司用的缝合技术都是通过国外比较成熟的软件来实现，但是这些软件缝合的效果也是有瓶颈的，还有使用者使用这些软件的一些使用经验也会影响到缝合的最终效果。

当然我们也有一些手段去处理这个问题，但是不管如何处理，多多少少都会有一些痕迹在里面。

虽然目前虚拟现实技术的发展还不够成熟，存在着许多争议，但随着时间的推移，这一切都会有所改观。虚拟现实技术将会成为一种重要的新媒介、新的平台，无论是对于游戏还是社交，亦或是其他更多领域。

来源：VR导航网（版权归原作者及刊载媒体所有）

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编辑：郭晓非    闻小玖

审核：付    航    韩    磊

指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)