揭秘：「VR虛擬現實」到底是如何實現的？

VR到底是如何工作的？

這種穿戴科技如何使你能夠如同身臨其境一般站在火星上，而事實上，你有可能將要撞向廚房的台板上！

那麼，今天我們會解釋，VR虛擬現實穿戴設備到底是如何工作的！

首先，我們解釋一些基本的原理

VR虛擬現實頭戴設備被Oculus、Sony、HTC、Samsung 及 Google發展起來，通常也需要三樣東西：

1. 一台電腦；

2. 能夠運行APP或者遊戲的平台或手機；

3. 能夠在你眼睛前保持足夠安全的顯示器（也可以是手機的顯示器）及輸入設備——頭部追蹤、控制器、手部追蹤、聲音、按鈕及觸控板。

是什麼讓每一個人能夠沉浸於VR虛擬現實設備中，當遊戲或者APP呈現在眼前，整個的體驗時如此的真實，以至於我們忘記了電腦、頭戴設備及感應器，想在真實的世界中一樣。

這一切到底是怎樣做到的？

基本原理

像Oculus Rift 及 PlayStation VR這類頭戴式可視設備，通用的做法都是要有一個頭戴式的顯示器。即使沒有聲音或者手部追蹤，放在你面前的這個GOOGLE Cardboard 里的只能手機足夠可以使你得到一種半沉浸式的虛擬世界。

這些硬體的目標就是，創造出一種跟真實世界中一樣的效果。說到3D的無邊界顯示的視覺環境，我們通常會和電視或者電腦屏幕聯繫到一起。因此不管你怎麼去看，架在你頭上的這台設備一直跟蹤著你。這裡就跟AR將整個真實世界的圖像包圍你有所區別。

以HTC的Vive及Rift為例，他們都是通過高清的數據連接線，平台或者電腦將視頻內容輸送到頭戴設備顯示屏。而Google的Cardboard及最新版的Daydream頭戴設備，三星的GearVR，他們都是講只能手機插入到頭戴設備中。

VR 頭戴設備將信號輸送到一塊屏幕或者兩塊 LCD 顯示上來。但你的眼睛和屏幕之間還隔著鏡片，這也就是為什麼這些設備被稱之為「眼鏡」的原因。

在一些設備中，你還可以調節兩個鏡片之間的距離——因為人與人之間的瞳距是不一樣的。

這些鏡片通過對焦和二次成像來修正每個眼睛看到的圖像，改變 2D 圖像的角度來模仿立體 3D 影像在不同眼睛裡的模樣。你可以試著閉上一隻眼睛，然後快速反覆地來回切換眼睛觀察物體，你就能明白上述的原理了。

VR頭戴設備增加沉浸感的一個重要的方式就是擴展視野範圍。360度的顯示屏可能過於寬泛，並且也沒有必要。更多的高端設備是取100到110度之間的可視範圍，這對於迷惑眼睛來說，足夠了。

為了使得頭戴設備能夠足以欺騙人腦感知的圖像，最小的幀速率約為60幀每秒刷新率，這樣才能夠避免延遲或者眩暈感。當前的VR設備遠遠超過了這個刷新率，例如Oculus的刷新率可達90幀每秒，而索尼的Playstation達到了120幀每秒。

頭部追蹤

當你頭戴一款 VR 設備時，頭部追蹤意味著你眼前的景象會隨著你上下左右轉動頭部而改變。6DoF（six degrees of freedom）這套系統能夠將你的頭部移動轉化成 x，y，z 三個維度，來精確測量頭部的前後左右移動等動作。

運用在頭部追蹤系統內的有一系列不同的內部組件，比如陀螺儀，加速計和磁力計。Sony 的 PSVR 同樣也在頭盔上用到了 9 顆 LED 燈，輔以 PS4 上的攝像頭監視提供 360 頭部追蹤，Oculus 也有 20 顆燈，但是它們不如 Sony 的更有標識度。

實現頭部追蹤技術必須降低延遲——我們說的低延遲是 50ms 或更低，才能讓我們在轉頭或者VR環境改變時候，感覺不到畫面的延遲。Oculus Rift 將延遲降低到了 30ms，讓人印象深刻。延遲問題同樣也是其他追蹤輸入的一個問題，例如索尼的PSVR在監測我們手部及臂膀動作時，移動狀態的控制。

最後，耳機也能用於提高沉浸感。雙耳或 3D 音頻可以被用在應用和遊戲中去，與頭部追蹤技術一塊應用，給予穿戴者以臨場音效從不同的方向傳播過來的感覺。

動作追蹤

至今為止，相對於 Cardboard 似的設備而言，頭部追蹤依然是那些尚未正式發售的高級頭盔的最大優勢。但是 VR 領域的「大玩家」們仍然致力於研究動作追蹤的功能。當你戴著 VR 頭盔向下看的時候，你想做的第一件事肯定是看看自己的手在虛擬世界中的樣子。

目前，我們已經見識過 Leap Motion 的配件——使用紅外線感測器來追蹤你的手部動作。我們也用 Kinect 2 攝像頭做過一些追蹤全身動作的實驗。但目前我們已經有的是來自 Oculus，Valve 和 Sony 的輸入設備。

Oculus Touch 是一套無線控制器，設計的初衷是讓用戶在虛擬空間里如同使用自己的手一般使用它。比如，在射擊遊戲中，你可以通過扣下扳機來射擊。在控制器上也還有一系列的感測器陣列以識別如點按，揮手等動作。

這和 Valve 的 Lighthouse 定位追蹤系統以及 HTC Vive 的控制器原型特別相似。它在房間里包括兩個基站，並且將整個房間布滿激光。它能通過你頭部和手上光電管感測器相互碰撞的時機來準確地檢測到你的頭部和手的位置。和 Oculus Touch 一樣，它也具備有特色的物理按鈕，更難以置信的是，在同一空間內用兩套 Lighthouse 系統可以追蹤多個用戶。

其他的輸入方式還包括從 Xbox 控制器上的借鑒過來的控制器或者和 PC 連接起來的控制桿，語音控制，智能手套以及如 Virtuix Omni 一樣的跑步機——它能幫助你在虛擬世界裡更「優雅地」活動。

眼部追蹤

眼部追蹤可能是 VR 拼圖的最後一塊。Rift，Vive 或者 PSVR 上還見不著這個技術，但它將會出現在 FOVE 眾籌的 VR 設備上。那麼它是什麼原理呢？

通過一個內置在頭盔里的紅外線感測器，FOVE 能夠知道你的眼鏡在盯著虛擬世界的哪個地方。除了能讓遊戲中的角色能更快地感知到你在朝哪邊看之外，它的另一個的優勢就是能提升場景深度的真實性。

在標準的 VR 頭戴設備中，每個事物都是泛焦的，不是我們在現實生活中習以為常的模樣。比如，如果我們的眼睛看遠處的物體，眼前的物體就會模糊掉。通過追蹤我們的眼睛，FOVE 的繪圖引擎可以在 VR 中的 3D 空間中模擬這種效果。沒錯，模糊也有好的一面。

我們的眼睛盯著的物體也需要和現實生活中一樣。如果沒有眼部追蹤，那麼你的眼睛看向遠方之時，眼前的景象沒有任何變化，會有一種不真實感。同樣，模擬一定程度的噁心也是必要的。不然 VR 就不能給予你身臨其境的感受。最後，頭戴設備也需要高解析度的屏幕來避免顆粒感。