虛擬現(xiàn)實(shí)早已從科幻小說的領(lǐng)域走向日常生活，為用戶提供身臨其境的數(shù)字世界體驗(yàn)，如同沃卓斯基兄弟的電影《黑客帝國》。縱觀其發(fā)展歷程，虛擬現(xiàn)實(shí)一直依賴于科技進(jìn)步的整體發(fā)展，如今已臻完美，不僅能帶來令人驚嘆的效果，還能應(yīng)用于實(shí)際或創(chuàng)意領(lǐng)域。本文將探討創(chuàng)造這一“幻覺的勝利”所不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

01

從立體鏡到Apple Vision

虛擬現(xiàn)實(shí)的歷史可以追溯到19世紀(jì)，當(dāng)時(shí)第一批能夠創(chuàng)造深度幻覺的設(shè)備問世。1838年，查爾斯·惠斯通發(fā)明了立體鏡，它利用從不同角度拍攝的兩幅圖像，分別呈現(xiàn)給每只眼睛，從而產(chǎn)生三維效果。這項(xiàng)發(fā)明成為了攝影和電影的基礎(chǔ)。

鏈接訓(xùn)練師

20世紀(jì)30年代，科學(xué)家們嘗試使用機(jī)械模擬器（例如Link Trainer）來訓(xùn)練飛行員，這種模擬器可以模擬飛行，但不會(huì)造成真正的風(fēng)險(xiǎn)。 二戰(zhàn)期間，它曾用于訓(xùn)練超過50萬名美國飛行員。

轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)先驅(qū)伊凡·薩瑟蘭（Ivan Sutherland）于1968年發(fā)明了第一臺頭戴式顯示器（HMD）——“達(dá)摩克利斯之劍”。這個(gè)笨重的設(shè)備懸掛在天花板上，顯示簡單的網(wǎng)格狀表面。

20 世紀(jì) 80 年代，美國國家航空航天局 (NASA) 和軍方開發(fā)了用于模擬的 VR 技術(shù)，并在 80 年代末 90 年代初首次出現(xiàn)了商業(yè)嘗試。Virtuality 發(fā)布了配備 VR 頭盔的街機(jī)，世嘉也宣布將為 Genesis 游戲機(jī)推出 Sega VR，但由于技術(shù)問題，該項(xiàng)目最終被取消。

科技啟發(fā)了電影業(yè)。1992年，根據(jù)斯蒂芬·金小說改編的電影《割草機(jī)》在科技的影響下上映。但幾十年來，硬件設(shè)備一直無法讓我們談?wù)摽萍嫉摹柏S滿”。

任天堂虛擬男孩

任天堂1995年發(fā)布的Virtual Boy產(chǎn)品在各方面都徹底失敗了。它是一款笨重的眼鏡式游戲機(jī)，內(nèi)置顯示屏，并配有傳統(tǒng)的游戲搖桿。由于太重，它甚至配備了一個(gè)特制的支架。同時(shí)，它內(nèi)部的顯示屏是單色的，即使在當(dāng)時(shí)，其圖形效果也非常原始。盡管如此，任天堂還是為這款游戲機(jī)發(fā)行了22款游戲。

約翰·卡馬克

VR 在 2010 年代蓬勃發(fā)展，Oculus 創(chuàng)始人帕爾默·拉基 (Palmer Luckey) 在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。2012 年，Oculus Rift 在 Kickstarter 上眾籌籌集了數(shù)百萬美元，引起了 Facebook（現(xiàn)為 Meta）的關(guān)注，并于 2014 年收購了該公司。Rift 是首款量產(chǎn)的高分辨率 VR 設(shè)備。其早期原型由約翰·卡馬克親自展示。

谷歌紙板

Oculus Rift 的成功也推動(dòng)了移動(dòng) VR 的發(fā)展，因?yàn)榭梢耘c智能手機(jī)配對以創(chuàng)建虛擬體驗(yàn)的眼鏡開始出現(xiàn)在市場上。您可以在我之前的文章中閱讀更多相關(guān)信息。

2016年，配備外部追蹤功能的HTC Vive和主機(jī)版PlayStation VR相繼發(fā)布，但一體式頭顯的出現(xiàn)改變了游戲規(guī)則。2019年，兩款頭顯同時(shí)問世：Oculus Quest，無需PC即可使用，支持移動(dòng)平臺；Valve Index，配備獨(dú)特的控制器，可追蹤每根手指87個(gè)點(diǎn)。一年后，Meta Quest 2憑借其實(shí)惠的價(jià)格和豐富的游戲庫大獲成功。

最后，2023年，Meta Quest 3發(fā)布，配備了升級的硬件和新型薄餅鏡頭，我們將對此進(jìn)行更詳細(xì)的討論。隨著新型號的發(fā)布，2023年第四季度全球增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔市場同比增長超過2.3倍。一年后，蘋果推出了一款專注于混合現(xiàn)實(shí)的小眾產(chǎn)品——Vision Pro（2024年）。

02

VR技術(shù)：從追蹤到硬件

現(xiàn)代 VR 頭戴式設(shè)備基于先進(jìn)的技術(shù)，可為用戶提供最大程度的沉浸感。

對于虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 而言，所謂的“自由度”(DoF) 非常重要。它與虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯能夠追蹤的物理運(yùn)動(dòng)軸數(shù)相關(guān)。現(xiàn)實(shí)世界中的運(yùn)動(dòng)需要先被識別，然后才能轉(zhuǎn)換為虛擬現(xiàn)實(shí)中的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。例如，具有 6 個(gè)自由度 (6DoF) 的 VR 頭顯可以追蹤所有六個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。

跟蹤和定位

追蹤技術(shù)可以追蹤頭部和手臂的運(yùn)動(dòng)并提供空間定位。主要有兩種方法：由外而內(nèi)和由內(nèi)而外。由外而內(nèi)使用外部傳感器（例如 HTC Vive 中的基站）來精確定位。SteamVR追蹤系統(tǒng) Lighthouse 就是一個(gè)外部定位的例子。它由稱為基站的小型矩形設(shè)備組成。這些基站在游戲區(qū)域發(fā)射精確同步的紅外激光束，虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備 (HMD) 可以識別這些激光束，并根據(jù)這些激光束確定其位置和方向。

基站的紅外激光每秒在水平和垂直光束之間交替數(shù)次。同時(shí)，每個(gè)被跟蹤物體（HMD）都有自己的光電二極管傳感器陣列。它們分析這些脈沖，然后內(nèi)部芯片根據(jù)光電二極管的物理位置持續(xù)計(jì)算物體的位置。

這種方法雖然在準(zhǔn)確性方面有優(yōu)勢，但也有一個(gè)很大的缺點(diǎn)——需要一個(gè)單獨(dú)的房間，并且必須被束縛在里面。因此，內(nèi)部定位技術(shù)已經(jīng)取得了進(jìn)展，它不存在這個(gè)缺點(diǎn)。

內(nèi)向外技術(shù)在獨(dú)立頭顯中非常流行。它依靠內(nèi)置攝像頭和傳感器（IMU），利用 SLAM（同步定位與地圖構(gòu)建）技術(shù)分析環(huán)境。SLAM技術(shù)由于無需任何額外硬件，因此應(yīng)用最為廣泛。它允許設(shè)備創(chuàng)建周圍環(huán)境的地圖，同時(shí)確定自身在地圖上的位置。

為了創(chuàng)建并定位目標(biāo)，MR 設(shè)備使用算法處理來自攝像頭和慣性模塊 (IMU) 的數(shù)據(jù)。這通常涉及將數(shù)據(jù)與已知物體和地標(biāo)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，并使用物體匹配和姿態(tài)估計(jì)技術(shù)來確定設(shè)備的位置和方向。

眼動(dòng)追蹤是一項(xiàng)非常有趣的技術(shù)，當(dāng)攝像頭追蹤用戶的視線時(shí)，可以優(yōu)化所謂的“注視點(diǎn)渲染”——僅在視覺中心進(jìn)行高質(zhì)量渲染，從而顯著優(yōu)化性能。這在游戲中非常有用，可以減輕GPU的負(fù)載，因?yàn)闆]有必要詳細(xì)地呈現(xiàn)那些不在你關(guān)注焦點(diǎn)上的內(nèi)容。

Meta Quest 2 和 Meta Quest 3 中的盲點(diǎn)

因此，虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯不再需要外部設(shè)備。Meta Quest 3 就是這類頭顯的典型例子，其控制器上配備多達(dá)四個(gè)攝像頭和紅外 LED，負(fù)責(zé)追蹤和定位。

然而，這種解決方案也有其缺點(diǎn)，因?yàn)榇嬖诿c(diǎn)，很難識別手的位置。

雙眼視覺

在開始討論圖像可視化之前，我們需要了解 VR 中的圖片與您在顯示器上看到的平面圖像有何不同。

雙眼視覺——毫不夸張地說，它是一種獨(dú)特的能力，使人能夠在周圍空間中導(dǎo)航并估算與物體的距離。嬰兒出生時(shí)并沒有這種能力。直到六個(gè)月大時(shí)，三維感知能力才開始形成。雙眼視覺的發(fā)展必須滿足以下條件：

• 眼部肌肉發(fā)達(dá)；

• 雙側(cè)視力相同；

• 眼睛的折射率相同；

• 眼球位于同一軸線上。

如果至少缺少一個(gè)因素，視覺就不再是雙眼視覺。閉上一只眼睛，像這樣走動(dòng)至少幾分鐘，你就會(huì)看到會(huì)發(fā)生什么。

雙眼視覺有時(shí)也被稱為捕食者的標(biāo)志，需要準(zhǔn)確估計(jì)攻擊距離

VR 頭顯之所以能提供獨(dú)特的沉浸式體驗(yàn)，正是因?yàn)樗鼈兡軌蛳瘳F(xiàn)實(shí)生活一樣，以雙眼視角呈現(xiàn)圖像。這需要特殊的鏡片來為每只眼睛聚焦圖像。

VR 中的光學(xué)原理

為了使虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)揮作用，您的頭顯必須具有投射圖像的光學(xué)系統(tǒng)。

該 HMD 光學(xué)系統(tǒng)有三個(gè)組件（顯示器）、接收器（您的眼睛）和鏡頭。

• 頭顯中的光源是顯示器，例如有機(jī)發(fā)光二極管 (OLED) 或液晶顯示器 (LCD)。雙目頭顯（例如 Meta Quest 3）通常有兩個(gè)顯示器，為每只眼睛提供單獨(dú)的圖像，從而利用立體視覺技術(shù)形成 3D 感知。

• 透鏡收集來自光源的光線，并創(chuàng)建虛擬三維世界的可視化效果。理想的 VR 頭盔應(yīng)該能夠在寬廣的視野 (FOV) 內(nèi)提供高分辨率圖像。

在設(shè)計(jì)圖像時(shí)，最大限度地利用人類視覺系統(tǒng)的特性非常重要?？紤]到眼球旋轉(zhuǎn)和頭部運(yùn)動(dòng)，人眼的視角垂直方向約為 120 度，水平方向約為 360 度。

雙眼視角，即雙眼都能看到物體的視角，約為 114 度。

顯示器和鏡頭

目前最常見的鏡頭有以下幾種：

• 菲涅爾透鏡——價(jià)格便宜，帶有同心環(huán)以減輕重量（Quest 2、Quest 3S）；

• 薄餅鏡片——扁平、緊湊、清晰度更高（Quest 3）；

• 非球面可減少失真（Pimax Crystal）。

菲涅爾透鏡 — Meta Quest

菲涅爾透鏡價(jià)格低廉，但可能會(huì)造成光偽影—— “神光”。不過，Quest 3 中的薄餅透鏡可提供高達(dá) 110 度的更寬視場 (FOV)。菲涅爾透鏡采用同心凹槽，提供扁平設(shè)計(jì)，減輕重量并減少色差。

薄餅鏡頭 Pico 4 Ultra

薄餅透鏡的設(shè)計(jì)基于多個(gè)鏡子和偏光濾光片，它們可以改變光路

Pimax Crystal非球面鏡片

非球面鏡片沒有凹槽，并且具有經(jīng)過特殊計(jì)算的曲率，可最大限度地減少光學(xué)偽影，例如失真或模糊。

顯示器是VR視覺質(zhì)量的關(guān)鍵。LCD（液晶）顯示器價(jià)格低廉，雖然分辨率高，但對比度較差。

OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）提供深邃的黑色和快速的響應(yīng)速度，但價(jià)格也高得多。Micro-OLED 顯示屏，例如 Apple Vision Pro 中的顯示屏，單眼分辨率可達(dá) 4K，像素密度很高，不過在 VR 領(lǐng)域，更準(zhǔn)確的表達(dá)應(yīng)該是每度像素?cái)?shù)。

Meta Quest 3 的 LCD 顯示屏性價(jià)比堪稱黃金分割點(diǎn)。其分辨率為單眼 2064×2208，刷新率高達(dá)120 Hz 。

硬件

由于頭戴式設(shè)備通常是獨(dú)立的，無需有線連接到計(jì)算機(jī)，因此不僅圖像質(zhì)量變得同樣重要，而且硬件平臺也變得同樣重要，它將 HMD 變成了一個(gè)可以完成幾乎所有事情的自給自足的設(shè)備：從瀏覽、使用智能手機(jī)上的 APK 應(yīng)用程序到創(chuàng)建個(gè)人電影院和玩游戲。

讓我們以 Meta Quest 3 虛擬頭顯為例，仔細(xì)研究一下這個(gè)平臺。為什么選擇它？首先，根據(jù)IDC 的預(yù)測，到 2025 年，Meta 的產(chǎn)品將以 50.8% 的市場份額領(lǐng)先。

公司2025年第一季度的市場份額2024 年第一季度的市場份額2025 年第一季度/2024 年第一季度的單位增長

meta

50.8% 36.2% 65.9%

第二個(gè)原因是，這款 VR 頭顯毫無疑問是入門的最佳選擇，因?yàn)樗鼡碛蟹浅Ｍ晟频纳鷳B(tài)系統(tǒng)和極低的入門門檻。此外，我強(qiáng)烈建議您不要從之前的過時(shí)版本和新款 MetaQuest 3S 入手，因?yàn)樗鼈兓诜颇鶢柾哥R。

我使用 MetaQuest 3 已經(jīng)快兩年了，毫不夸張地說，我認(rèn)為它是幾十年來最成功的設(shè)備。如果算上所有組件的總價(jià)，Meta 的供貨價(jià)格似乎低于成本價(jià)。

特征：Meta Quest 3展示液晶顯示器解決單眼 2064×2208 1218 PPI更新頻率90赫茲，120赫茲視角水平 110°，垂直 96°光學(xué)薄餅透鏡鏡頭調(diào)整IPD 范圍從 58 毫米到 71 毫米處理器驍龍 XR2 第二代混合現(xiàn)實(shí)2個(gè)RGB攝像頭聲音的具有 3D 空間聲音的立體聲揚(yáng)聲器動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器8 GB駕駛128-512 GB重量，克515手部追蹤混合計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)傳感器（4 個(gè)紅外攝像頭和 2 個(gè) RGB 攝像頭）PC支持Meta Quest Link電池，毫安/小時(shí)8000營業(yè)時(shí)間，小時(shí)大約兩個(gè)小時(shí)，取決于負(fù)載充電時(shí)間使用 18W 電源適配器約 2 小時(shí)無線上網(wǎng)Wi-Fi 6E充電接口USB Type-C價(jià)格，UAH。≈23000

Snapdragon XR2 Gen 2 支持完全板載硬件加速，可完成頭顯的一些最關(guān)鍵任務(wù)，從而減輕 CPU 負(fù)擔(dān)：

• 位置跟蹤，顯著降低功耗和延遲；

• 通過攝像頭端到端傳輸數(shù)據(jù)，將50毫秒的延遲降低到12毫秒；

• 運(yùn)動(dòng)外推。

8K 視頻對于這個(gè)平臺來說根本不成問題。有時(shí)很難相信如此緊湊的設(shè)備竟然能擁有如此先進(jìn)的技術(shù)。不過最近看來，8GB 的 RAM 有點(diǎn)太多了，尤其是在Meta Quest 3 也支持開發(fā)者模式的情況下。

03

有暈動(dòng)病的問題，該如何處理

暈動(dòng)癥是VR中一個(gè)相當(dāng)常見的問題。它是由于視覺線索與負(fù)責(zé)平衡的前庭系統(tǒng)發(fā)生沖突而產(chǎn)生的。在現(xiàn)實(shí)生活中，當(dāng)你移動(dòng)時(shí)，你的眼睛、耳朵和肌肉是同步的。在VR中，你在視覺上感覺像在“飛行”或“駕駛”，但你的身體卻一動(dòng)不動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致惡心、頭暈或頭痛。

這可能是由于刷新率低（低于 90 Hz）、延遲超過 20 毫秒、沒有真實(shí)運(yùn)動(dòng)的虛假運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然還有用戶的個(gè)人特征。根據(jù)我的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，我可以自信地說，我的前庭系統(tǒng)在最初幾個(gè)月里得到了顯著改善。是的，這不是一個(gè)快速的過程，你不應(yīng)該因?yàn)榈谝淮蔚呢?fù)面體驗(yàn)而感到沮喪。

前庭系統(tǒng)也會(huì)進(jìn)行訓(xùn)練和適應(yīng)。隨著時(shí)間的推移，我不再在游戲中使用瞬間移動(dòng)功能，現(xiàn)在我可以非常愉快地玩一些移動(dòng)端游戲至少一個(gè)小時(shí)，比如經(jīng)典的《毀滅戰(zhàn)士3》（是的，它可以在頭顯上自主運(yùn)行），或者我上次寫到的帶有VR模組的傳奇游戲《孤島驚魂》。事實(shí)上，VR頭顯是為老游戲注入新活力的真正天賜之物。不過，我們將在另一篇文章中討論這個(gè)問題。

研究表明，由于激素因素，女性更容易暈動(dòng)病，而兒童則由于前庭系統(tǒng)發(fā)育不全而更容易暈動(dòng)病。在快速移動(dòng)的游戲中，這個(gè)問題可能會(huì)加劇。但你永遠(yuǎn)無法了解你的前庭系統(tǒng)的潛力，除非你嘗試“激發(fā)”它。該怎么做呢？

• 從短時(shí)間（10-15分鐘）開始，逐漸增加時(shí)間

• 使用舒適的模式：傳送而不是平滑的運(yùn)動(dòng)、靜態(tài)的場景和靜態(tài)的游戲；

• 調(diào)整瞳距以達(dá)到清晰度；

• 在通風(fēng)良好的地方玩耍；

• 鐵桿鑒賞家甚至?xí)褂弥雇滤帲?/p>

• 以高 FPS 和低延遲進(jìn)行游戲。

2020 年代的研究表明，經(jīng)過訓(xùn)練，70% 的用戶可以在一周內(nèi)適應(yīng)。最終，暈動(dòng)癥并非障礙，而是一個(gè)可以通過正確方法解決的挑戰(zhàn)。

總的來說，虛擬現(xiàn)實(shí)這個(gè)話題非常龐大，事實(shí)上，它是一個(gè)獨(dú)立的“黑客帝國世界”，一個(gè)完整的文化層面，它擁有自己的秘密和樂趣，只有親身體驗(yàn)才能體會(huì)。雖然有人對你說“這項(xiàng)技術(shù)尚未成熟”或“并非人人適用”之類的童話故事，但其他人早已享受到了它帶來的好處。

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