頭戴式立體顯示器在電視產業中的新形態應用

尚建民，張 岳

（1.中國廣播電視國際經濟技術合作總公司，北京 100045；2.中國傳媒大學 理工學部，北京 100024）

頭戴式立體顯示器在電視產業中的新形態應用

尚建民1，張 岳2

（1.中國廣播電視國際經濟技術合作總公司，北京 100045；2.中國傳媒大學 理工學部，北京 100024）

頭戴式立體顯示器作為曾經只在虛擬現實領域有限應用的顯示設備，隨著技術的不斷成熟已逐漸顯示出在電視產業中的廣泛應用潛力。主要圍繞目前最具代表性的頭戴式立體顯示器Oculus Rift介紹了目前該技術的發展水平、開發環境及已有應用，并對該類設備未來在電視行業的新形態應用進行了設想與展望。

頭戴式立體顯示器；Oculus Rift；HMD

立體視頻顯示技術是電視行業乃至整個娛樂產業極為關注的技術方向，眾多具備立體顯示功能的電視設備已是電視市場的重要一極。但迄今為止，立體顯示電視設備仍未成為市場的真正主流，與之配套的立體電視節目或頻道的發展也呈現出一定程度的停滯狀態[1]。在造成這種狀況的諸多原因中，目前的立體顯示電視仍未能帶來真正令觀者產生“身臨其境”的立體觀看體驗。這其中不僅包括對理想觀看位置和觀看角度較苛刻的要求，也包括電視屏幕的大小對整體成像區域的天然限制。

針對傳統立體電視設備的不足，頭戴式立體顯示器（3D Head-mounted Display，3D HMD）成為眾多企業及研究者愈發關注的一個解決方案。從顯示效果而言，頭戴式立體顯示器具有一些常規顯示設備無法比擬的優勢[2]：1）能夠提供真正“沉浸”式的的觀看體驗。由于顯示器中顯示鏡片對雙眼的直接遮擋作用，能夠輕易提供極寬的視角。2）能夠提供獨有的“頭部跟蹤”效應。通過在頭戴式顯示器中集成運動跟蹤功能，可以令觀看到的內容隨頭部運動而改變，實現以往只有大型而昂貴的球幕顯示系統才能實現的“環視”效果。盡管具有其他顯示設備無法比擬的優勢，且早在1994年的CES上就已出現最初的商業化產品，但迄今為止，始終沒有出現能夠真正被大眾消費市場所接受的成熟產品。這也體現出3D HMD設備要同時在技術水平與工業設計兩方面達到普遍可接受水平的較高難度。而Oculus Rift的出現，使人們第一次看到了真正有望為大眾消費市場廣泛接受的3D HMD設備。

1 Oculus Rift帶來的新突破

1.1 基本組成及性能特點

Oculus rift是由Oculus VR公司推出的集成了運動感應器的3D HMD設備，目前已發展至第二代[3-4]。其外觀如圖1所示。頭戴顯示器重量為0.22 kg，分辨率由一代的1 280×800（每只眼640×800）提升至1 920× 1 080，刷新頻率從一代的60 Hz提升至75 Hz。在頭戴式顯示器內部，包含一組（兩片）距離屏幕約3～4 cm的中倍率透鏡，觀看者的眼部距離透鏡1 cm左右，通過透鏡分別看到左右眼畫面，如圖2所示。一代設備中通過加速度感測器、陀螺儀感測器與地磁感測器提供6自由度低延遲跟蹤功能，而二代則在此基礎上增加了紅外線光學定位追蹤，透過獨立的近紅外線CMOS感測器攝影機與顯示器內嵌的隱藏光學標記，實現了更精確地追蹤使用者頭部的位置，從而能夠對諸如探頭動作等提供更逼真的虛擬實境回饋。

圖1 Oculus Rift二代外觀

圖2 左右眼透鏡

與其他HMD設備相比，Oculus Rift主要具有下列幾個突出的優點：

1）極寬的視角：對角線110°、水平視角90°。從而帶來了接近于完全沉浸式的畫面。而包括索尼在內的大多數頭戴顯示器則采用影院模式，視覺效果僅僅是眼前的一個矩形屏幕。

2）高精度的頭部跟蹤：極低延遲、近乎完美的頭部跟蹤效果使得顯示內容能夠根據需要精確地隨頭部的擺動而改變。這是為觀看者提供真正完全沉浸其中的視覺體驗的必要因素。

3）較低的價格：只需要2 000元左右就可以獲取一套開發者版Oculus Rift，較之索尼等公司同類產品動輒5 000元以上的價格顯然親民許多。

1.2 基于OculusRift的應用開發

每套Oculus Rift開發者套件都內含軟件開發包（SDK），其中包括源代碼、說明文檔與示例程序。目前已支持Windows、Mac OS與Linux操作系統，新版本SDK也即將加入對Android移動平臺的支持。

SDK中的底層3D渲染部分同時提供了對OpenGL和DirectX的支持，但由于游戲領域是Oculus Rift最重要的應用領域之一，而游戲引擎早已成為游戲開發中至關重要的工具和基礎，因此能否獲得主流游戲引擎的支持對其能否得到眾多游戲開發者的青睞有著重要的意義。目前，最主流商業游戲引擎中的Unreal En?gine 4以及在移動平臺風頭最勁的Unity3D引擎均已宣布支持Oculus Rift[5]，在引擎內部提供了開發其應用的API，從而大大降低了高端沉浸式游戲、虛擬現實及其他應用的開發難度。圖3展示了在Unity3D引擎中進行Oculus 3D程序開發的界面。

圖3 Unity3D中進行Oculus程序開發的界面（截圖）

2 在電視產業中的應用分析及展望

隨著以Oculus Rift為優秀代表的頭戴式立體顯示器的快步發展并逐步進入千家萬戶，電視產業同樣需要認真考慮該類型產品在未來對從內容制作到最終顯示的整個產業鏈帶來的影響和變化，把握該類型設備將帶來的重要機遇。而其中的一個重要分析因素就在于3D HMD在電視產業中較為適宜的應用場景。就目前已出現和可預見的趨勢而言，3D HMD在以下幾個應用中將帶來嶄新的應用形態：

1）電視游戲。毋庸質疑，游戲是3D HMD設備目前最火熱的應用形態。目前已有眾多游戲公司和開發者為Oculus Rift開發原有游戲的移植作品或完全針對其開發的原創游戲作品。微軟Xbox One游戲主機已經提供對于Oculus Rift的支持，而隨著進一步引入An?droid平臺，在眾多的Android機頂盒上結合Oculus Rift，沉浸式立體游戲也不再遙遠。索尼公司在2014年的游戲開發者大會上同樣針對性地發布了應用于其PS4游戲主機的3D HMD設備“Project Morhpeus”。由于電視游戲在游戲市場一直占據著龐大的份額，而上海自貿區的建立又使得Xbox及PS系游戲主機即將進入中國市場，可以預見，3D HMD設備無論在中國還是在世界范圍內都將成為電視游戲產業中的重要組成部分。

2）新形態教育類節目。Oculus Rift等民用級3D HMD設備帶來的沉浸式觀看體驗顯然對于教育類，尤其是科教類節目具有先天的適應性，學習者將從有限范圍畫面的單純觀看者轉變為360°融入整個虛擬教學環境。而通過進一步結合相應的互動特性，學習者將真正成為虛擬教學世界中自由的體驗者與操控者，這很可能帶來教育類節目教學效果的實質性提高。

3）新形態電視劇及娛樂節目。美國HBO電視網已經基于Oculus Rift制作出了電視劇集《權力的游戲》的虛擬現實特別版，盡管只是與實景結合的短短90 s，但其給觀者帶來的新穎體驗已經為有遠見的電視劇制作者們提供了一個廣闊的想象空間。類似的例子還包括一家視頻公司為Oculus Rift打造的一部全沉浸式3D紀錄短片等。

3 結語

盡管目前包括Oculus Rift在內的3D HMD設備仍存在諸如佩戴舒適性、無法完全消除眩暈感等不足之處[6]，但其完全顛覆現有觀看體驗的特性無疑代表著未來的重要發展方向。因而對電視產業而言，無論從內容制作、數據傳輸，及至觀看者行為分析的整個環節都應盡早針對這一新的趨勢做好充分的準備。

[1]牛曉佳.中國3D產業專利布局初探[J].電視技術，2013，37（S2）：403-405.

[2] BOAS Y.Overview of virtual reality technologies[EB/OL]. [2014-04-01].http://mms.ecs.soton.ac.uk/2013/papers/yavb1g12_ 25879847_finalpaper.pdf.

[3]PARKIN S.Oculus Rift會把虛擬神奇變成商業現實嗎?[J].科技創業，2013（10）：26-28.

[4] Oculus rift-virtual reality headset for 3d gaming[EB/OL]. [2014-04-01].http://www.oculusvr.com.

[5] ARORA T.Experimental game design with the Oculus Rift[C]// Proc.2014 IEEE Virtual Reality.Minneapoils，MN，USA：IEEE Press，2014：1-2.

[6] SEPPANEN T.Unwanted side effects of immersive virtual reality using head-mounted displays[EB/OL].[2014-04-01].http://www. ee.oulu.fi/～vassilis/courses/resmeth/2013_ex1_sample/2013.sep?panen.pdf.

TN949

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2014-04-25

【本文獻信息】尚建民，張岳.頭戴式立體顯示器在電視產業中的新形態應用[J].電視技術，2014，38（12）.

尚建民，中國廣播電視國際經濟技術合作總公司，總經理助理兼工程三部經理；

張 岳，中國傳媒大學理工學部，講師。