可穿戴虛擬現實設備：帶你進入另一個世界

隨著智能手機技術和智能硬體技術的發展，虛擬現實（Virtual Reality，簡稱 VR）產品具有了低成本小型化的實現條件，到了可以讓個人消費者用戶使用的階段。所以經過多年沉寂，在2013年Oculus推出可穿戴式虛擬現實設備後，虛擬現實再次成為全球關注的焦點，到2014年可穿戴式虛擬現實設備開始進入快速發展階段，電子設備廠商、智能硬體廠商、智能手機廠商、互聯網公司等不同行業紛紛介入，2015年可穿戴虛擬現實設備呈現井噴之勢，一時出現眾多品牌的設備。英國市場研究機構Juniper Research預測可穿戴虛擬現實頭顯設備（Virtual Realty Head Mounted Display，簡稱VR HMD）2016年全球出貨量為300萬台，到2020年將會增長到3000萬台。高盛預測到2025年VR市場營收預期將達800億美元，樂觀預期可達到1820億美元。自從Facebook收購Oculus之後，虛擬現實成為資本追逐的新寵，互聯網、手機廠商等巨頭高調進入開始布局，眾多創業公司紛紛湧現。作為一項被視為會對信息技術發展產生深遠而廣泛影響的技術，Gartner 從2013年開始也持續對VR進行跟蹤分析和預測。

生成虛擬的三維場景

虛擬現實（Virtual Reality）是利用計算機技術生成虛擬的三維場景，並結合多種交互設備，讓體驗者可以跟虛擬場景互動，體驗者通過交互得到的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺綜合等感知，使其有「身臨其境」的感覺效果。

可穿戴虛擬現實系統是指以頭戴式顯示設備實現VR沉浸式顯示的虛擬現實系統，因此其核心設備是虛擬現實頭顯（VR HMD，以下簡稱VR頭顯），也稱為VR眼鏡或VR頭盔。但VR HMD並不一定是虛擬現實系統的全部，要配置一套完整的VR系統可能還需要很多其他配套的設備，而且有的設備很可能比VR HMD更複雜、更貴重。

虛擬現實系統有三個本質特性，稱為「3I」特性，它們分別是沉浸、交互和想像。

沉浸（Immersion）是指體驗者的感官通過在VR環境獲得的感知以為是在真實的環境中；交互（Interaction）是指體驗者能夠和虛擬環境之間進行互動；想像（Imagination）是指體驗者感官受刺激後在其大腦中可以產生幻象。

由於這些特性，VR成為人們和計算機系統交互的一種新模式。VR對交互要求極高，包括交互方式多樣性、自然性以及交互的品質都有很高的要求。實質性的需求對技術進步的推動是最大的，因此VR的興起將會極大地推進人機交互技術的革命。

（可穿戴虛擬現實系統的技術原理示意圖）

VR系統的三類設備

一套完整的虛擬現實系統包括體驗者、體驗者所在物理環境和VR設備組成。可穿戴虛擬現實系統中的設備分為三類：VR頭顯設備、VR交互設備和VR場景處理器。

VR頭顯

主要功能是實現立體視覺、聲音輸出和頭部跟蹤。VR HMD通常會集成一些感測器實現部分交互輸入的功能，基於9軸陀螺儀跟蹤頭部三自由度轉動已經成為VR頭顯的標配。另外，VR頭顯還可以集成一些其他的可選交互感測器，以實現比如眼球跟蹤或者頭部位置跟蹤等功能，當然這些完全由頭顯廠商決定。

現階段，常見的VR頭顯設備有四種（如表1所示），是根據VR頭顯中是否有顯示屏、VR場景處理器以及它們的結合方式來劃分的。

PPC VR頭顯（也稱為主機VR頭顯），它是以PC主機或者遊戲伺服器作為VR場景處理器的一類VR頭顯，往往GPU圖形處理性能較強大，可運行場景複雜度高的VR遊戲。

手機VR頭顯（也稱VR手機盒子），是指以智能手機作為VR場景處理器的一類VR頭顯。由於智能手機性能遠不如PC機的配置，所以一般可運行輕型VR遊戲和視頻。

VR一體機是指在一個設備殼體中同時裝配有顯示屏及VR場景處理器的VR頭顯。而VR分體機是指一套可隨身便攜的可穿戴VR設備，它包括VR頭顯和VR主機盒子兩部分，兩者之間可以通過有線和無線連接。VR分體機的主機盒子一般採用移動計算平台架構實現，配有可充電電池，實現可移動性和便攜性。分體機的處理性能定位和比一體機高但是低於PC機的配置。

VR交互設備

VR交互設備是指與VR頭顯配套增強VR交互體驗的外圍設備。常用的有：動態手勢識別跟蹤設備、手柄等手持式遊戲操控設備、位置跟蹤設備、體感運動捕捉交互設備、全向運動平台、模擬駕駛器、可穿戴智能硬體設備（包括：智能戒指/智能手環/體感背心/肌電臂帶）、力反饋設備、數據手套等。VR場景處理器

VR場景處理器是指用於生成VR場景的計算機系統。它由於場景渲染的需要，對圖形渲染能力要求較高，一般配置較高檔的顯卡，比如一般選擇 NVDIA GTX970以上級別的顯卡。同時，根據VR豐富交互的要求，它需要有足夠的交互設備通信介面，包括有線方式和無線方式。VR視頻輸出一般採用HDMI連接方式。

VR場景處理器可以是台式機、筆記本電腦、智能手機，以及專為VR目的設計的計算機系統。

（擬顯示系統「3I」特性 ）

VR設備的關鍵技術

1.沉浸式立體顯示光學設計。要盡量滿足任意使用者的個性化視力特點，並有盡量好的視覺沉浸感和畫面真實感。

2.高精度、高幀率的屏幕顯示技術。120幀、4K解析度是實現VR頭顯較好效果的硬體指標理論下限，更高的要求現在還難以達到。

3.高速運動捕捉跟蹤技術。高速、高精度的運動捕捉跟蹤是實現虛擬人替身和真人空間匹配的根本。

4.虛擬場景高效渲染技術。VR引擎和底層圖形系統的高效渲染是降低延遲時間的重要方面，需要從軟硬體兩個方面綜合進行提升，比如顯卡廠商開發的雙GPU渲染技術，通過給立體視覺的每一隻眼睛分配一個GPU，實現雙路同步渲染，並盡量減少重複的渲染計算工作量，另外還有降低時延的Time Warping技術、Front buffer Rendering技術等。

5.多通道交互技術。虛擬現實系統天然地適用多種不同自然交互方式，這會極大地提升VR的易用性和多感官沉浸感。當然實現多種並行、異構、多語義交互信息的衝突處理和融合利用是非常具有挑戰性的工作。

（虛擬現實頭顯設備類型表）

衡量虛擬顯示系統的主要指標

評估一個虛擬現實系統，可主要從以下幾個方面進行。

1.視覺顯示的沉浸感和真實感。主要從視場角、畫質、運動畫面刷新速度等方面分析。其中畫質主要包括畫面顆粒度、扭曲變形度、色彩偏差等幾個方面。視場角的大小是要根據顯示屏尺寸和畫質要求綜合確定的，並不是越大越好，片面地宣傳視角屬於不負責任地誤導VR消費者。

2.聲音的沉浸感。聲音的沉浸感主要包括聲音的空間感和音質。聲音的空間感，是希望體驗者可以聽到不同方向有不同的聲音。

3.運動響應的實時性。VR場景是一個高動態的場景，當體驗者與VR場景互動時，如果其觀察方向變化比較快時，要求VR場景處理器能夠足夠快地響應並在可接受的時間裡刷新顯示和聲音及其他一些交互輸出。如果畫面刷新過慢，會出現明顯的拖尾和卡頓現象。

4.體驗者的舒適度。設備的材質、重量、人體工學設計，對體驗者身體特點的適應性，如光學設計比較適合體驗者的視力特點，則體驗者的視覺舒適度就較舒服，反之就較差。

5.交互操作的效率和自然性。穿戴式VR遮蔽了體驗者的眼睛，交互操作需要鍵盤滑鼠以外的交互外設和交互方式，需要既高效又比較接近真實生活中的交互方式。

阻礙VR設備發展的主要技術因素

顯示屏及驅動晶元

VR對顯示屏最基本的要求是解析度和刷新頻率。目前採用的都是智能手機屏和基於現有手機屏技術標準定製的特殊尺寸屏幕。可以預見顯示屏在2016年將達到4K@120幀，但是配套的驅動晶元是否能達到同步大量供應還不確定。

VR場景渲染

現在顯示屏指標可達到2K@120幀，對後端場景圖形渲染性能帶來的壓力成數倍提升，目前單GPU的圖形架構已經很難支撐，並行渲染是VR的發展方向。4K甚至更高的顯示輸出期望短時間內實際還不具備成熟的底層支持，不但是指圖形硬體架構，而需對VR的整個顯示處理邏輯和演算法進行整體的優化。

交互信息採集和處理

隨著視頻顯示從60幀提升到90幀，再到120幀，每一幀間隔的時間越來越短。每一幀的生成都需要考慮交互對渲染的影響，比如視線變化、場景變動等，這就要求交互信息的採集和處理速度足夠快，才能夠讓體驗者感覺虛擬場景運動是自然的。其實人的一些動作、場景中的一些運動速度是可以很快的，如果慢了，會讓體驗者感到不真實，嚴重情況下還給體驗者帶來不適感，形成所謂的暈動症。有些交互方式從感測信號採集到識別出交互信息可能需要比較複雜的計算處理，很可能達不到較高的實時性。

光學設計與視力的匹配

目前主流的VR HMD都是基於放大鏡原理來擴大視場，採用手動調瞳距的方式來輔助適配瞳距，採用允許佩戴眼鏡或者等效的方式來適配不同的眼鏡。但是，實際上這樣還是比較粗略的適配，特別是人的眼球是不斷轉動的，即使採用眼球跟蹤技術也難以精確實時測定眼睛的視力變化。但是視覺解析度是人最敏感的感官，對細微變化的覺察度非常高。這也是現在VR HMD不建議長時間佩戴的原因，主要是從健康安全方面考慮。將來新的顯示技術和光學方案可能會有根本性的改變。

影響VR發展的產業性問題

1.產業鏈尚未完成配套。許多VR廠商如雨後春筍樣冒出，產業鏈上下游尚未對VR做好準備，比如顯示屏供應商先是觀望，然後支持，到現在開始主動參與到VR產業並作為轉型的機遇，這是有一個過程的，並且這個過程尚未在產業層面完成。顯示屏的標準目前還是手機屏的標準，屏廠按照這個標準向VR頭顯設備商出貨，按照手機屏標準合格的屏在VR頭顯中很可能是不合格的，因為它的評判標準不一致，這就是產業鏈錯位造成的。

2.缺乏優質VR內容。VR遊戲、應用、視頻內容製作與傳統的遊戲、視頻製作具有相當大的共同點，但是也有自己獨特的規律，要適應VR場景交互的特點和VR設備的技術特點。優質的內容對VR設備的推廣應用是必不可少的。VR內容作為VR產業鏈的一環，應與VR設備廠商共同發展、緊密合作，推動內容製作和設備介面標準化。

3.缺乏行業標準。行業的早期「八仙過海各顯其能」是一個必然的階段，但是標準化工作應該適時導入，對行業技術發展進行引導，加速產業鏈整合，通過標準化降低企業產品研發成本、提升產業運作效率，使整個產業有序、快速發展。當前，業界對VR的大趨勢已經認同，產業鏈各層面已經有大企業進入，所以已經具備開始籌劃標準啟動的條件。

推動VR行業不斷發展

未來VR行業需要建立開放的行業聯盟，推動VR行業標準形成，指導行業發展。加快產業鏈配套整合，奠定堅實的產業基礎，形成跨行業合力。突破VR核心新技術，提高技術的普適性，形成新型計算平台。加快VR內容開發技術研究和內容製作，與其他媒體和文化產業融合，推動VR行業應用及大眾化普及應用。

註：機器人圈原創，轉載請註明來源

本文作者系深圳市掌網科技股份有限公司技術總監，孫其民

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