漸入佳境的VR虛擬現實

文_解放

V R(Virtual Reality)虛擬現實技術面世以來,受到全球業界的高度關注,并紛紛投以重資積極開發相關組件與系統。隨著VR技術與相關技術的進一步成熟,初期VR“清晰度差、有線拖累的不便、體驗效果還不理想”等不足在2019年將有大的改觀。現就漸進佳境的VR虛擬現實給大家作一介紹,以饗讀者。

VR類型

VR虛擬現實主要有三種類型：一是沉浸式虛擬現實；二是增強虛擬現實(Augmented Virtual Reality)；三是MR(Mix Reality)混合虛擬現實,最著名的當屬沉浸式虛擬現實。

1、沉浸式虛擬現實

沉浸式虛擬現實是最受認可的VR類型之一,也是我們下面主要介紹的一種。在該類VR中,用戶借助模擬手在虛擬現實中運動的手套和攜有顯示屏的頭盔,進入計算機生成的虛擬世界,與虛擬世界里的人與物等“現實”進行交互。其在聲音、圖像、觸覺等感官上的逼真模擬使虛擬世界更加真實。許多科幻電影和科學展覽都使用這類VR對展示內容進行渲染。

2、增強虛擬現實

在增強虛擬現實中,盡管也通常使用頭盔,但世界不是由計算機生成的,突出顯示某些重要對象或區域是其本質特點。例如,如果一名飛行員在訓練中使用增強虛擬現實,那么對于起飛或保持飛行高度很重要的控制將被突出顯示,以幫助飛行員準確知道該使用什么樣的控制。因頭盔會將顏色和圖形疊加到現實世界的特點,因而增強虛擬現實最常用于職業培訓。

3、混合虛擬現實

MR混合現實技術是虛擬現實技術的進一步發展,它既包括增強現實,又包括增強虛擬,是合并現實和虛擬世界而產生的新的可視化環境,它的實現需要在一個能與現實世界各事物相互交互的環境中。如果一切事物都是虛擬的那就是VR的領域了；如果展現出來的虛擬信息只能簡單疊加在現實事物上,那就是AR。該技術通過在現實場景呈現虛擬場景信息,在現實世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路,以增強用戶體驗的真實感。

VR系統

VR虛擬現實的系統主要是兩大類,一類是初期推出的虛擬現實頭盔和其他設備的外連組合,而如今集諸多設備與組件于一身的另一類一體機VR系統也開始屢屢出現,并應用了最新的“眼球追蹤、超高清晰度、無線、低成本、由內而外追蹤”等前沿技術,在力圖擯棄初期的VR系統“模糊、眩暈、佩戴不舒適、用手機時易過熱、效果不夠理想”等缺陷與不足的前提下,將低價高質的系統推至普通消費者和專業消費者面前,以期在更大范圍實現行業領域的快速推進,在滲透中實現其應有的應用價值。

不管是散件外連組裝式VR系統,還是全在一個設備中的一體機VR系統,其核心組件基本上均是HMD(Head Mounted Display) 頭戴式顯示器、計算機、游戲機、手機、傳感器等幾樣。其中,HMD頭顯通過一組光學系統(主要是精密光學透鏡)放大超微顯示屏上的圖像,并將影像以光學信號投射于眼睛視網膜上，進而呈現于觀看者眼中的是如放大鏡看物的大屏幕圖像。通過各種不同頭顯,可以顯示出VR、AR、MR等不一樣的效果。計算機、游戲機或手機則用來生成和渲染在頭顯顯示屏上呈現的完全虛擬的空間畫面,而動作傳感器的加入可以把用戶的動作投射到虛擬世界當中,從而營造身臨其境之感。

VR機型

幾年來,VR在全球已開發推出了不少機型,興起初期基本上是組件外連的散裝類,而隨著VR技術的成熟,幾乎所有組件整合在一個獨立系統的一體機VR頭盔現正在全球抓緊開發。據悉,2019年紛紛推向市場的一體機頭盔因各種新技術的加盟使其本身的品質和給予用戶更逼真沉浸體驗的效果將明顯提升,現簡單給大家介紹幾款。

(一)散裝機型

1、Oculus Rift

Oculus Rift是美國Facebook公司開發推出的一款主要用于PC游戲的VR頭盔。為了讓玩家盡情玩打游戲,該頭盔提供1080x1200的單眼分辨率(雙眼合并分辨率為2160x1200)；足夠高的90Hz刷新率給用戶提供了一個平穩,并能同時有效防止眩暈的游戲體驗；提供的110度視野意味著呈現在屏幕上的虛擬畫面都顯得足夠寬和高。Oculus Rift配備了一對觸摸控制器,利用追蹤技術可以為用戶設置合適的虛擬環境,并支持手勢映射。玩游戲時這些控制器會追蹤用戶的動作,其工作效果如真手一樣。

值得注意的是,Oculus Rift對游戲設備的支持有限,它不兼容索尼PlayStation和后期推出的PS4游戲機。盡管借助一項流媒體應用(Xbox One Streaming app)用戶可以將Xbox One游戲鏡像復制在VR屏幕上,直接在Oculus Rift上開打,但缺陷是實現起來不是很方便,而且也無法獲得與借助PC電腦一樣的體驗。

2、HTC Vive

HTC Vive是由臺灣HTC公司與美國Valve公司聯合開發的一款VR頭盔,該款高端VR頭盔給用戶提供的頗強沉浸式體驗靠的是一個HMD頭戴式顯示器、兩個單手持無線控制器和一個能于空間內借助手勢同時追蹤顯示器與控制器的定位系統Lighthouse。

該系統應用了Valve的專利技術,它不需要借助攝像頭,而是靠激光和光敏傳感器來確定運動物體的位置,換句話說,HTC Vive允許用戶在一定范圍內走動,這是它與另外兩大頭盔 Oculus Rift 和PSVR的最大區別,強大功能和優異特性使它成為游戲世界中最強大的VR頭盔之一。HTC Vive采用了OLED屏,其單眼有效分辨率為1080x1200(雙眼合并分辨率為2160x1200),畫面刷新率為低于PSVR的90Hz,視野大于110度,其幾乎零延遲的特性使得體驗者不覺得有惡心和眩暈之感。由于PS4和Xbox One游戲機不具備優質高性能電腦的信號處理能力,以及Vive硬件與PS4或其升級版PS4 Pro不兼容,因而,HTC Vive無法與它們搭配正常使用。即使應用索尼的Remote Play視頻游戲遠程操控功能可以實現,體驗效果肯定也不會很好。

3、PlayStation VR

PlayStation VR(簡稱PSVR)是索尼專為配合其自身的PlayStation 4(簡稱PS4)家用游戲機設計開發的一款VR頭盔,因PS4已經是一個非常強大的游戲系統,因而擁有PS4的用戶無需為VR游戲升級信源硬件設備。就游戲在VR中的感覺而言,PSVR與Oculus Rift等頭盔并沒有什么明顯的區別。該機提供每只眼睛960x1080的分辨率(雙眼合并分辨率為1920x1080),配備5.7英寸OLED屏,該機讓它脫穎而出的是優于HTC Vive和Oculus Rift 90Hz的120Hz刷新率,Rift和Vive上的任何輸入延遲在PSVR上蕩然無存。與Oculus Rift不同,PSVR的使用并不局限于PS4,它還可以連接到包括PC在內的其他信源設備上。通過modding和第三方軟件,用戶可以使用PSVR玩SteamVR游戲,看電影等等。PSVR令人印象深刻的是時尚的發光設計,佩戴起來也很舒服。就整體質量而言,PSVR的圖像分辨率和視野均比Oculus Rift和HTC Vive兩大競爭對手低。

(二)一體機型

1、Oculus Quest

Oculus Quest(原定型號Oculus Santa Cruz)是美國Facebook公司在突破許多VR瓶頸的情況下開發的完全一體化的VR頭盔系統,是該公司首款沒有線纜,沒有外部傳感器,無需PC和智能手機,只留下VR頭盔和控制器的虛擬現實游戲系統。安裝好Oculus移動應用程序,戴上它并啟動系統后,玩家就可隨時在任何地方步入虛擬世界盡情玩打游戲。Oculus Quest的Casting廠播功能允許玩家將VR中感知的內容廠播傳送至附近的電視或智能手機,或者錄下體驗發送給全球親朋好友分享。該頭盔配備2個類似手環設計,允許攝像頭對用戶的手部運動進行追蹤的Oculus Touch控制器(參見圖2)。Oculus Quest內置與三星Galaxy S8相同的高通驍龍835處理器,配備了黑色更黑更深,單眼分辨率為1600x1400的OLED顯示器和同類最佳的第二代菲涅爾透鏡,內置便于玩家安裝不同VR 內容的64GB存儲空間,設計了音色音質改善,能提供沉浸感體驗更逼真的音頻單元,為便于用戶外連高端音響系統,頭盔兩側各設置了一個標準的3.5毫米輔助插孔。該頭盔的刷新率鎖定在72Hz,視野為95度,參考價為399美元,2019年春季發行上市。Oculus Quest主要的功能如下：

(1) Oculus Insight

Oculus Quest設置了支持6DoF(6 Degrees of Freedom)6方向自由運動的Oculus Insight新型洞察追蹤系統,借助Inside-out-Tracking由內而外追蹤技術,該系統的追蹤范圍大至370平方米,意味著玩家可以在比家中更大的環境隨意站著或坐著玩打游戲。與Oculus GO的3DoF方案只允許用戶自由轉動頭部,但卻無法實現對用戶移動位置定位的方案不同,Oculus Insight系統借助四個超廠角傳感器和計算機視覺算法實現對“向前/向后、向上/向下、向左/向右”三個平移運動和“縱搖(Pitch)、橫搖(Roll)和垂搖(Yaw)”三個旋轉運動(參見圖3)的實時位置追蹤,以及同時對能精確再現手勢和互動狀態的Oculus Touch控制器的追蹤。

(2) Ultra wide angle tracking 和Unlabeled tracing

Ultra wide angle tracking 和Unlabeled tracing是Oculus Insight系統的另二項追蹤功能,前者超廠角追蹤主要用于密切關注和追蹤控制器伸到視場范圍外時的位置。與追蹤范圍有限的WMR(Windows Mixed Reality)微軟混合現實頭盔不同,Oculus Quest的超廠角追蹤方案更適合《Robo Recall》或《Echo Arena》等需要大幅度身體運動的VR游戲。當手部從追蹤范圍之外返回時,頭盔能馬上判斷出其所在位置；后者的無標記追蹤意味著頭盔在現實世界中不需要作任何標記,通過實時對環境的掃描及周圍對象的關注,就可以自行知曉和實現玩家在VR虛擬環境中的準確定位。

(3) Guardian技術應用

Oculus Quest 應用了一項稱作“Guardian”的安全保護技術,該技術可以阻止用戶走進墻壁,并彈出一個虛擬墻壁來通知他們,以避免玩家走得太遠。Guardian技術方案下賦予的功能對玩打多人合作的射擊游戲尤其實用,因為這樣就可與隊友保持著安全距離,不會因為太投入而撞在一起。更有甚者,因該技術能記住體驗者家里每一間房間的“Guardian”設定,因此經過首次設定后,用戶將它拿到任何一個房間就可馬上安全使用,無需重新調整。

2、HTC Vive Focus

Vive Focus是臺灣HTC公司開發的一款VR一體機頭盔,內置高通驍龍835處理器、麥克風、揚聲器,以及高精度的九軸傳感器和距離傳感器。設有最高支持2TB MicroSD卡的MicroSD擴展口和3.5mm立體聲耳機插座。為了確保VR體驗不會有屏幕嚴重的顆粒感,配備了分辨率兩眼相加達2880x1600的超高清3K AMOLED屏,以及能確保顯示效果的同時大幅度降低厚度,以減輕機身重量和體積的兩枚菲涅爾鏡片,選用的75Hz屏幕刷新率可有效降低在頭部旋轉時畫面出現的延遲感。該頭盔支持播放H.264/H.265格式的 的4K分辨率視頻,提供可通過右側按鈕進行瞳距調節獲得超過110度的視野。無線格式兼容Wi-Fi 802.11 a/b/g/n/ac,以方便用戶將頭盔內容傳送至Miracast相容的顯示裝置。配置了上有觸控板、應用程序按鈕、主屏幕按鈕、扳機和音量鍵的手柄。為舒適佩戴,該款按人體工學原理設計的即戴即開式頭盔提供在30秒之內就能通過魔術貼松緊的調控來匹配頭部寬度,內有防水濺襯墊的可調節頭帶。Vive Focus內置可充電電池,滿負荷可連續使用4小時。借助USB Type-C接口與一個15W的QC3.0快速充電器的連接,約2個半小時之內可以將電池充滿。借助眼睛上方的一個感應器,在摘下設備的瞬間本機即可進入超過一星期的待機模式,直至下次戴上時,屏幕會再度亮起。在電源管理優化方案中,本機還采取了防止設備長時間閑置的自動關機措施。該頭盔提供限量版的電眼藍以及魅力白兩種顏色,前者參考價為640美元,后者為597美元,2019年第二季度在全球發行上市。Vive Focus主要的功能如下：

(1)多項技術合用成就自由移動與準確空間定位

Vive Focus為成就體驗者在虛擬世界的自由移動與對其瞬間的準確空間定位,采用了Room-Scale、Inside-Out、World-Scale、SteamVR多項技術,其中,Room-Scale技術借助基于激光和光敏傳感器的Lighthouse定位系統來實現對玩家在最大約20平米房間的游戲區域走動的動作捕捉；支持6DoF的Inside-Out-Tracking追蹤技術用于通過兩攝像頭對傳感器的追蹤實現更大范圍的World-Scale空間定位；而支持坐著、站著,或移動體驗的SteamVR追蹤技術(1.0)則通過其定位系統來捕捉頭戴式顯示器與控制器的位置與方向。

(2) 省去額外配備耳機的音頻單元

Vive Focus擯棄了以前VR頭盔通常都攜帶耳機聽音的做法,而是另辟蹊徑在頭盔左右兩側內置了一對揚聲器,并且分別在頭戴顯示器前方控制器上配備了獨立的音量按鍵,方便隨時進行音量增減。值得注意的是,由于自帶揚聲器不錯的隱秘性,因此不管體驗者在玩什么游戲、看什么電影,當距離約1.5米左右,音量調到一半大小的時候,周邊的人是聽不到揚聲器發出的聲音的。

(3)其它實用的多媒體功能

Vive Focus除提供體驗者觀賞VR電影,玩VR游戲外,借助與HTC U12+智能手機的配合,可以實現其它實用的多媒體功能：一是無需摘下頭盔即可接聽HTC U12+的電話,接收短信及來自社交媒體的通知；二是在投屏巨幕體驗的方案中,借助HTC U12+與 Vive Focus間的投屏功能,用戶可以通過本機輕松獲得數百萬項移動應用、游戲、及視頻內容的巨幕體驗；三是在創新玩法樂享互動方案中,HTC U12+可作為Vive Focus額外的游戲配件,提供包括跨平臺雙人互動游戲在內的多種融合式VR互動體驗。

3、Lenovo Mirage Solo

Mirage Solo是聯想公司與谷歌Daydream平臺合作開發推出的“世界第一”款搭載WorldSense技術方案的VR一體機頭盔。該頭盔同樣也內置高通驍龍835處理器,首次配備了分辨率為2560x1440、視野達110度的無模糊、低延遲的5.5英寸QHD IPS顯示屏。該款擁4GB RAM和64GB存儲空間的頭盔設計簡潔,只有電源、快門和功能三個操控按鈕,提供可切換的照片、視頻和直播三種模式。通過無線DayDream控制器,用戶在手機app上就能進行功能調整,這對于方向盤、棒球棍等游戲有著極大的輔助作用。Mirage Solo不僅僅是VR設備,需要時它還能充當導航儀的角色。該頭盔的電池一次充電滿負荷最多可以使用7小時,重約 644g,參考價為299.99美元。Mirage Solo主要的功能如下：

(1) WorldSense精確的追蹤效果

Mirage Solo在定位追蹤上應用的是由谷歌研發的“WorldSense”方案,實際上也歸屬于Inside-Out-Tracking技術,意味著不需要使用任何外接傳感器或者信息基站在3D空間追蹤頭部運動。“WorldSense”方案除同樣具有監測頭部6DoF運動狀況外的功效外,還可以借助頭盔正面兩個額外的攝像頭監測用戶傾斜、彎腰、蹲下、躲閃,甚至是跳起等動作情況,從對周圍環境的觀察中實現自我準確定位。

(2)方便的功能拓展

Mirage Solo借助其microSD接口可以使功能進一步拓展,在VR頭盔上觀賞采用自家VR相機Mirage Camera(參見圖4)輕松制作的虛擬現實內容。相機上的兩個1300萬像素的魚眼鏡頭可以在180x180度的拍攝范圍內捕捉眼睛所看到的一切。基于視頻4K的超高清分辨率和先進的自動圖像穩定功能,所拍攝的VR視頻和照片作品都非常清晰。借助Wi-Fi,以及VR相機預裝的Google Photos和YouTube,用戶可以將所拍攝的內容直接上傳至Google Photos,或在YouTube VR賬戶上傳直播和視頻內容。另外,用戶可通過智能手機下載谷歌VR180 app,利用手機屏幕預覽取景,拍攝4K質量的2D圖像、3D立體圖像,以及錄制3D直播等。

(3)佩戴舒適的幾項措施

Mirage Solo在佩戴舒適上經過了周密的精心考慮,盡最大努力確保沒有任何固體接觸到用戶的頭部。一是采取了巧妙的重量平衡措施,相當均勻的整體配重使得即便體驗中有閃躲動作也依然很有安全感；二是在接觸用戶面部與額頭的部分選用質感極佳且服貼的透氣波型襯墊,以緩解用戶在使用過程中的佩戴壓力和不適感；三是通過相應可控件可對頭部、面部和鼻子的重量或力度進行調整；四是可通過快速松緊按鈕來調整佩戴的松緊度,改變頭盔與頭部的匹配度。

VR指南

上述介紹的三款散裝VR系統盡管推出上市已有幾年,但作為眾多散裝VR系統的佼佼者,它們至今仍受到廠大消費者的青睞。據有關方面預測,2019年依然會作為消費者的主流選擇,因為他們基本上都可以給用戶帶來幾乎相同的游戲體驗。然而,由于Oculus Rift、Sony PSVR和HTC Vive彼此在應用技術、功能特性、搭配硬件,以及銷售價格等多方面確實還存在一定的差異,而且各自都有自己的長處與不足,因而究竟如何買準適合自己實際情況,又價廉物美的VR頭盔系統確實需要消費者冷靜地思考一下。下面在VR指南中給出一點小小的建議,希望對大家有所幫助。

第一,選擇2019年最好的VR頭盔取決于消費者本人的需求,是計劃使用PC電腦還是游戲機來配搭VR頭盔游戲系統。如果消費者已經準備好購買一臺昂貴的PC電腦,并且愿意花499美元購買VR頭盔,那么選擇HTC Vive而不是Oculus Rift有很多優勢。一是Vive有更好的硬件；二是如果在PC上玩游戲,Vive使用起來更方便；三是就游戲的可用性而言,通過Vive,用戶還可以獲得完整的Steam VR游戲庫；四是如與Valve Steam store相連,配置的電腦正確又性能高,并且有足夠的預算來體驗高級VR體驗,那么HTC Vive無疑將比PlayStation VR和Oculus Rift強大得多。

第二,對于游戲機擁有者,特別是PS4用戶,那么購買PSVR頭盔顯而易見是明智的絕佳首選,因為它是根據PS4游戲機的處理能力針對性開發的。如果消費者家中還沒有游戲PC或游戲機,而打算購買VR頭盔的話,那么自己先得心中有數,是頭盔配搭PC電腦使用還是配搭游戲機體驗。然而,前者通過創建游戲PC配搭頭盔的系統來獲得VR體驗并不是很容易。如果消費者在有限的預算下先專注于VR頭盔的選擇,那應該選擇PSVR頭盔。PSVR系統可以拆開以各組配件(包括移動控制器、可透過雙鏡頭與借助3D景深感應技術偵測VR頭戴裝置方位的 PlayStation攝像頭等)單獨購買,也可以一起捆綁購買。單獨購買只需329美元,低于Oculus Rift和HTC Vive,如果選擇PS4和PSVR捆綁包,那是再合適不過了,因為花出去的錢還要少,在美國,PSVR捆綁包的價格最低的只有250美元。

第三,選擇購買Oculus Rift的理由很顯然是它的長處：一是屏幕的“紗窗效應”幾乎不存在；二是互動與被動體驗可以很好整合；三是相對體積龐大,不包括線纜的重量達600g的PlayStation 而言,重僅470g的Oculus Rift其在頭上的重量分配接近完美,佩戴很舒適,可以長時間使用；四是VR頭盔價格隨時間的推移正在逐步下降,且包括觸摸控制器在內的配件現在也更便宜,整機349美元的銷售價應該說確物有所值；五是雖然最初是為游戲打造,但Oculus Rift有潛力拓展應用到觀光、電影、醫藥、建筑、空間探索,以及戰場上等更為廠泛的領域。

值得購買VR散裝機的消費者注意的是,市場有一些無線VR頭盔只適用于特定的智能手機型號,為此,在購買之前,消費者務必確認自己的智能手機型號是否是相兼容的一款。

最后要說的是,不管是購買VR散裝機還是一體機,消費者均要留心一下設備的幾項主要參數,因為它與VR享用時的沉浸度等體驗效果密切相關。

●刷新率：建議最低刷新率選擇75Hz,最好是90Hz。因為刷新率越快,顯示的幀數越多,沉浸感的體驗就越濃重。

●分辨率：選擇攜帶Quad-HD和4K顯示屏的高分辨率VR頭盔機型最為理想,也可選擇購買高于4K/60Hz的75Hz+高刷新率的Quad-HD頭盔。

●像素密度：眼睛中心的像素密度對紗門效應的可視性起著至關重要的作用,像素密度越高,紗門效應現象越弱。然而,它并不完全依賴于像素密度,光學鏡片也起著重要的作用。

●像素響應：VR中通常使用OLED和LCD兩種顯示方式,而OLED更適合用于VR,因為它們提供更深的黑色、更高的對比度和更快的像素響應。如果選擇LCD顯示方式的VR,那么,推薦購買LCD面板像素響應時間小于15ms機型,以獲得最佳效果。