[科普中國(guó)]-解密“頭號(hào)玩家”里的VR技術(shù)

這兩天一部電影刷爆朋友圈，那就是由史蒂文·斯皮爾伯格執(zhí)導(dǎo)的**“頭號(hào)玩家”****。**

該片根據(jù)恩斯特·克萊恩同名小說改編，講述了在未來世界，由于現(xiàn)實(shí)生活無趣，無數(shù)年輕人沉浸在VR的虛擬世界中。而主人公韋德逐漸發(fā)覺：自己在現(xiàn)實(shí)和虛擬世界里都面臨困境，并且他需要和小伙伴們一起拯救世界。（潮點(diǎn)，沒看電影的人快拿小本本記下來，要不這兩天沒談資了?。?/p>

這部電影不光在票房上大賣，而且在各大影評(píng)網(wǎng)站都廣受好評(píng)。

豆瓣評(píng)價(jià)分布呈“P”型，典型的高質(zhì)量電影

原作小說中，VR 眼鏡基本上只作為進(jìn)入虛擬世界的工具存在；而電影卻十分逼真地展示了VR 眼鏡對(duì)于兩個(gè)世界如何聯(lián)結(jié)和互動(dòng)、人如何通過VR技術(shù)改頭換面的重要作用。尤其是對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界被 VR 所改變后的景象，描繪之精彩令人叫絕。

隨著這部電影的熱度，我們也可以預(yù)見到這將會(huì)在現(xiàn)實(shí)世界中促進(jìn)VR產(chǎn)品市場(chǎng)大熱。

那到底什么是VR****技術(shù)？它又是怎么發(fā)展到今天的呢？

什么是VR技術(shù)？

VR（Virtual Reality）技術(shù)，中文即虛擬現(xiàn)實(shí)，就是通過一系列技術(shù)手段來制造虛擬場(chǎng)景，并模擬各種感官感受來欺騙大腦，營(yíng)造一種身臨其境的真實(shí)感受。

這個(gè)概念最早可以追溯到Aldous Huxley 1932年推出的長(zhǎng)篇小說《Brave New World》。這篇小說以26世紀(jì)為背景，描寫了以機(jī)械文明為代表的未來社會(huì)中人們的生活場(chǎng)景。書中提到，“頭戴式設(shè)備可以為觀眾提供圖像、氣味、聲音等一系列的感官體驗(yàn)，以便讓觀眾能夠更好地沉浸在虛擬的世界中。”

23年后的1955年，攝影師Morton Heilig才設(shè)計(jì)出了頭戴式設(shè)備的原型圖。

VR眼鏡初代機(jī)

這可以稱得上是一個(gè)巧妙的裝置，完美地結(jié)合了光學(xué)、人類視覺成像原理和大腦視覺感知系統(tǒng)，其架構(gòu)今天仍然在使用。如今市面上賣199包郵的VR眼鏡，基本都是這玩意兒。

實(shí)際上我們完全可以用一個(gè)紙殼子代替！

自制五毛錢VR眼鏡

難道說，如果你帶了這么一個(gè)VR眼鏡，就能走進(jìn)電影里那個(gè)奇幻的世界嘛？

并不能！

實(shí)際上，**虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合了硬件層面的傳感器技術(shù)和軟件層面的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、顯示技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)。**它在多維信息空間上創(chuàng)建一個(gè)虛擬信息環(huán)境，能使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有完美的環(huán)境交互作用能力。

而連接虛擬和現(xiàn)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，就是傳感器技術(shù)。

在使用VR設(shè)備時(shí)，最關(guān)鍵的指標(biāo)就是：使用者在虛擬世界的物理信息。這主要是通過測(cè)量頭部的朝向姿態(tài)及所處的物理位置來確定。據(jù)此，目前VR設(shè)備中的傳感器主要可分為以下三類：

首先，最主要的一類是IMU****傳感器，即慣性測(cè)量單元。包括陀螺儀、加速度傳感器和地磁傳感器等。

想象一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系，如下圖所示，具有x軸、y軸和z軸；IMU傳感器能夠測(cè)量各軸方向的線性運(yùn)動(dòng)，以及圍繞各軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

IMU傳感器原理圖

在VR技術(shù)里，IMU****傳感器主要用于捕捉頭部動(dòng)作，特別是轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于VR設(shè)備而言，產(chǎn)品體驗(yàn)主要就是動(dòng)作捕捉的準(zhǔn)確性和顯示的延遲這兩方面，而這很大程度上，都是由設(shè)備中的IMU慣性傳感器決定的。因此，IMU傳感器在VR****中起著基礎(chǔ)核心的作用。

讓我們打開這個(gè)頭戴式VR設(shè)備

順便說下，如果你體驗(yàn)過VR技術(shù)，就可以感覺到，那玩意兒太重了，如果能像電影里一樣輕便，那就好了。

而筆者所在的半導(dǎo)體所研究的MEMS****技術(shù)（微機(jī)電系統(tǒng)）正致力于解決這個(gè)問題。什么叫MEMS？可以看下面這張圖。

MEMS，就是把又大又笨重的IMU傳感器做的小巧，實(shí)現(xiàn)“大白變小白”的過程。

其次，第二個(gè)大類是用于定位和動(dòng)作捕捉的傳感器，這個(gè)主要用來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作捕捉，特別是使用者前后左右的移動(dòng)。目前的方案有紅外攝像頭和紅外感應(yīng)傳感器等。

這種傳感器用到的最基本原理，大家在趙忠祥老師的全民公開課——“動(dòng)物世界”里應(yīng)該都學(xué)習(xí)過。

“頰窩——蛇的紅外感受器”（圖片來源，中科院成都生物所）

最后，就是我們常見的分類**-**-其他類型傳感器。

我們把剩下的、不好分類的、雜七雜八的東西都放在這里，既有佩戴檢測(cè)用的接近傳感器、觸控板用的電容感應(yīng)傳感器等已被廣泛使用的傳感器，也有被眼球追蹤用到的高動(dòng)態(tài)捕捉攝像頭、實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別、實(shí)現(xiàn)AR功能的傳感器等可能會(huì)被應(yīng)用在未來VR設(shè)備的傳感器。

當(dāng)然，有了這些硬件基礎(chǔ)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，你已經(jīng)具備了進(jìn)入一個(gè)身臨其境的“夢(mèng)”的基本條件。最終，還是需要一個(gè)“大腦”里進(jìn)行處理，那就是計(jì)算機(jī)。（有人又要爭(zhēng)辯道，“軟件里只講計(jì)算機(jī)不能算VR……VR！……碼農(nóng)的事，計(jì)算機(jī)能算VR么？）

同時(shí)計(jì)算處理單元還負(fù)責(zé)給你構(gòu)造一個(gè)完美的虛擬世界，正如電影里的“綠洲”。

VR****技術(shù)的奇妙之處

有人會(huì)說，沒想到為了給我創(chuàng)造好的游戲環(huán)境，科學(xué)家們真是煞費(fèi)苦心。（哼，美得你）

實(shí)際上，早期這門技術(shù)首先由美國(guó)軍方研發(fā)，目的是為了解決戰(zhàn)斗機(jī)的飛行員的駕駛問題。（對(duì)，飛行員叔叔剛開飛機(jī)，也暈也會(huì)吐）

后來人們發(fā)現(xiàn)這種身臨其境的沉浸感，有助于人機(jī)交互從而啟發(fā)奇思妙想，所以逐漸被應(yīng)用到民用領(lǐng)域。

提到沉浸感就不得不說VR的三大特點(diǎn)：沉浸（Immersive），交互（Interaction）和構(gòu)想（Imagination）。（業(yè)界也叫“3I”）

沉浸感就是你玩VR感覺賊逼真，大腦相信自己所看、所聽，所感受到的全部都是真實(shí)的，于是整個(gè)人全身心地投入到了這個(gè)虛擬的世界中去。

這怎么做到呢？實(shí)際上就是讓機(jī)器通過模擬各種感覺來欺騙大腦。按照現(xiàn)有的傳感器和機(jī)械技術(shù)，實(shí)際上一般只能模擬出視覺、聽覺等為數(shù)不多的幾種感知，但這已經(jīng)占據(jù)人全部感知的90%以上了。差的那不到10%，就是你去玩VR還是感覺有點(diǎn)假的原因。

當(dāng)然就算沉浸感賊真實(shí)，如果只能看不能摸，無法交互的話，大腦還會(huì)回過神來，意識(shí)到這一切終究是鏡花雪月。

因此，VR必須讓你能在虛擬世界里拳打腳踢、上躥下跳，這就是各種傳感器大顯身手的地方。通過傳感技術(shù)，可以跟蹤人手的精細(xì)動(dòng)作，身體跑，跳等動(dòng)作，并在虛擬現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行反饋。

比方說，你伸手摸虛擬女友的臉，應(yīng)該能感受到皮膚的細(xì)膩柔軟和身體的溫度。

除了前面兩點(diǎn)，虛擬現(xiàn)實(shí)的另一個(gè)重要特點(diǎn)就是構(gòu)想。

你不光能對(duì)現(xiàn)實(shí)建模，還可以模擬現(xiàn)實(shí)中完全不存在的場(chǎng)景、不存在的事物以及不存在的規(guī)律，從而以和現(xiàn)實(shí)完全不同的方式來對(duì)大腦進(jìn)行操控。

有了這些，虛擬世界將更加的真實(shí)，也能迸發(fā)出更多的想象力，讓虛擬現(xiàn)實(shí)更好玩。

VR****的展望

近幾年，得益于半導(dǎo)體行業(yè)的高速發(fā)展，VR設(shè)備所需的傳感器、液晶屏等零件價(jià)格降低，解決量產(chǎn)和成本的問題；隨著通訊行業(yè)的發(fā)展，所有VR應(yīng)用均可運(yùn)行在云端，利用其強(qiáng)大的計(jì)算能力和渲染能力實(shí)現(xiàn)VR應(yīng)用運(yùn)行結(jié)果的處理，并把云端處理過的畫面和聲音再經(jīng)過超低時(shí)延的5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到VR設(shè)備上。

科技的進(jìn)步使得VR離普及越來越近了，許多大公司紛紛推出自己的VR產(chǎn)品。比如谷歌推出了廉價(jià)易用的Cardboard，三星推出了Gear VR等，消費(fèi)級(jí)的VR開始大量涌現(xiàn)。

如今，VR不僅在游戲、（小）電影、直播、購(gòu)物等娛樂領(lǐng)域野蠻生長(zhǎng)，它在工作和生活中也有很多應(yīng)用。如電視會(huì)議、教育模擬和旅游探索等，并向分布式虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展。

同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的重要手段。其中，協(xié)同工作、虛擬現(xiàn)實(shí)是VR技術(shù)新的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。

開VR會(huì)議

此外，VR已成為構(gòu)造虛擬樣機(jī)、支持虛擬樣機(jī)技術(shù)的重要工具。VE――虛擬環(huán)境技術(shù)，可使工程師在三維空間中實(shí)時(shí)地與他們的設(shè)計(jì)樣機(jī)（虛擬樣機(jī)）進(jìn)行交互。

認(rèn)真的男人最帥！

實(shí)際上，筆者認(rèn)為VR技術(shù)不僅可以用在上面那些地方，同時(shí)可應(yīng)用于以下場(chǎng)景：

沒人邀請(qǐng)我做報(bào)告，作為Poster在會(huì)議中該怎么體會(huì)做Oral的快感？

答：帶上VR眼睛，在虛擬世界做Oral;

實(shí)驗(yàn)員回家了，用不了實(shí)驗(yàn)室的我，要怎么才能在明早組會(huì)前完成實(shí)驗(yàn)方案？

答：帶上VR眼睛，做模擬實(shí)驗(yàn)；

如何在他人的婚禮待客宴上談笑風(fēng)生，而不被任何人看出你單生狗的失落？

答：下一題

希望VR技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，未來真的能有一個(gè)美麗的“綠洲”，供我們寄放靈魂。

參考文獻(xiàn)：

1.《頭號(hào)玩家》.恩斯特·克萊恩(美).

2.《頭號(hào)玩家》發(fā)布預(yù)告 虛擬世界“綠洲”極致呈現(xiàn). 鳳凰網(wǎng).

3. 影評(píng). 豆瓣網(wǎng).

4.《動(dòng)物世界》 20141015期 蛇的神奇之處（一）.

5.關(guān)于VR，這篇科普可以說是很全面了. 無線深海.

6.Lowe, David G. (2004). "Distinctive Image Features from Scale-Invariant Keypoints". International Journal of Computer Vision 60 (2): 91–110. doi:10.1023/B:VISI.0000029664.99615.94.

7.Bay, H., Tuytelaars, T., Van Gool, L., "SURF: Speeded Up Robust Features", Proceedings of the ninth European Conference on Computer Vision, May 2006.

8.Martin A. Fischler & Robert C. Bolles (June 1981). "Random Sample Consensus: A Paradigm for Model Fitting with Applications to Image Analysis and Automated Cartography" (PDF). Comm. of the ACM 24 (6): 381–395.doi:10.1145/358669.358692.