VR虚拟现实技术有哪些应用？

如果你是一名70或80后，应该还记得在20世纪90年代初期的时候，我们可以在杂志、玩具架以及电影中看到头戴式显示器和电动手套，看起来充满未来感、高科技，但是看上去就显得很笨重。头戴式显示器和电动手套等装备就是虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）需要使用的设备。

【长文预警】全文大约6000字，看完需要5~10分钟！

从21世纪初互联网的萌芽发展到现在，已经有20多年时间了。虽然很多互联网技术都取得了突飞猛进的发展，但 VR 需要的主要设备的相关技术似乎都还没有取得多大的进步。

话虽如此，但 VR 技术也还是在持续发展中，从暴风的乞丐版 VR 眼镜到现在的各种性能强大的 VR 设备，尽管速度比其他的技术慢了点儿，但还是在不断积累进步，这主要还是因为 VR 涉及的技术非常依赖硬件性能。目前，最先进的VR技术通常被应用在军事方面（比如模拟战斗机驾驶）和娱乐（虚拟现实游戏），毕竟硬件设备的价格还是有点偏高。

那么，VR 技术的发展又会依赖哪些设备呢？

根据目前市面上对 VR 的定义，我们只需要一台带有显示器和键盘或鼠标的电脑就可以运行 VR 系统了。大部分从事 VR 相关工作的研究人员表示，真正的VR设备营造的环境会给用户带来身临其境的感觉，但由于在看电脑屏幕时很容易被外界环境干扰失去 VR 带来的沉浸感。

因此，为了带来更深入的沉浸感，大多数 VR 系统都倾向于在更封闭的显示设备中运行 VR 系统。显示设备之外的其他设备，如键盘、鼠标或游戏控制器棒，也都是 VR 系统很关键的部分。

在这篇文章中，我将向大家介绍一些不同类型的 VR 设备及其优缺点。

首先，我们从头戴式显示器开始说起。

HMD（Head-Mounted Display，头戴式显示器）

顾名思义，HMD 就是直接戴在头上的显示器。对，用大白话说就是 VR 眼镜（属于 HMD 的一种类型），说 HMD 是不是一下就显得更专业了！

为何大多数 HMD 都安装在头盔或护目镜中？因为头戴式显示器可以确保无论我们朝哪个方向看，屏幕始终都停留在眼前。而且大多数 HMD 都有两个屏幕，我们每只眼睛都对着一个屏幕，这可以让我们感觉到正在看的图像有深度。

HMD 中的显示器通常是用的液晶显示器（LCD），但也有用阴极射线管（CRT） 显示器的。LCD 显示器比 CRT 显示器更紧凑、更轻便、更高效而且更便宜，CRT 显示器相对于 LCD 的优势是屏幕分辨率和亮度。但CRT 显示器体积又大又笨重，不太适合做头戴式的显示器。

少数 HMD 设备使用了比较少见的显示技术，主要包括如下几种：

HMD 中很少使用上面这些技术，主要是因为这些技术中的大多数分辨率和亮度都很弱。还有些技术虽然在 HMD 设备上效果很好，但价格非常贵（比如 VRD 和等离子显示技术）。

CAVE

还有一些系统会将一套特制的眼镜或护目镜与其他显示硬件结合使用。下面，我将带你看看这样一个系统——CAVE 显示器。

终极展示

被广泛认为是虚拟现实之父的科学家 Ivan Sutherland 在 1965 年描述了终极计算机显示设备。

他写道，它将由一个房间组成，计算机控制物质的存在。计算机将能够创建虚拟对象，对于房间内的用户来说，这些虚拟对象似乎是真实的固体物质。

伊利诺伊大学——芝加哥分校的学生和研究人员开发了一个系统，被许多 VR 专家认为是目前能够用于 VR 环境的最身临其境的显示系统。它被称为 CAVE 系统，意思是洞穴虚拟环境。

CAVE 是一个小房间或隔间，其中至少有三堵墙（有时是地板和天花板）充当巨型显示器。该显示器为用户提供了非常宽广的视野——这是大多数头戴式显示器无法做到的。用户可以在 CAVE 系统中四处走动，无需连接到计算机，但他们仍然需要佩戴一副类似于 3D 眼镜的时髦护目镜。

活动墙实际上是背投屏幕。计算机在每个屏幕上投影图像，创造出一个很有代入感的虚拟环境。投影图像采用立体格式并以快速交替模式进行投影。用户佩戴的护目镜中的镜片有与交替图像同步打开和关闭的快门，这样用户就可以感受到图像中的深度。

当你在CAVE 环境中走动时，连接到眼镜的跟踪设备会告诉计算机如何调整投影图像。用户还可以携带控制器棒与虚拟对象交互或在环境的某些部分中进行导航。可以有多个用户同时在一个 CAVE 中，但只有佩戴跟踪设备的用户才能调整视角——所有其他用户都是被动的观察者。

走在虚拟的一面

虽然 CAVE 比其他 VR 设备为用户提供了更多的移动自由，但它仍然还是非常有限——大多数 CAVE 系统都是 10 平方英尺或更小。

虚拟现实工作台

接下来，我们一起来了解另一种被称为工作台的虚拟现实显示器。

有一些 VR 研究人员认为虚拟现实工作台是一种与虚拟环境无关的显示系统。在90 年代初，美国海军研究办公室的计算机科学联络科学家拉里·罗森鲍姆（Larry Rosenbaum）带领一票 VR 工程师团队创建了一个大型显示器，允许多个用户同时查看，用户可以像桌子或长凳一样垂直或水平倾斜查看显示器。

这个虚拟工作台和我们看到的沙盘有些类似，用户站在工作台前面戴上定制的护目镜就可以体验 VR 系统，就像身处于 CAVE 系统中一样。每个用户都看到从工作台显示器投射的相同图像。在立体投影和护目镜的镜头快门的共同作用下，虚拟工作台上显示的物体就可以显示为三维的。

当然，还有一些 VR 研究人员认为工作台不能被认为是虚拟环境，因为沉浸感还是不够满足用户需求。因为用户所观看的显示器并不能填满视野，所以用户可以明显意识到他仍然处于现实世界中，尽管这个现实世界包括他可以操纵的虚拟对象。一旦将视线从显示器上移开，他就会立刻看到一个普通的实体房间，从而脱离虚拟世界的沉浸感。

但是，工作台显示仍然是一个非常有用的工具。工作台显示器的很多用途是用于医疗培训，比如：在进行外科手术时，主刀医生可以和其他医生一起在真实场景中通过工作台显示器对 3D 虚拟患者进行手术。

如果外科医生要在佩戴 HMD 时执行相同的程序，他周围的人要么是计算机控制下的NPC，要么是代表其他人的计算机Player。所以，有了工作台显示器的画面展示，与他人的互动就更加真实自然。

工作台显示器在军事方面也很有帮助，就好像是一个作战沙盘一样。程序员可以创建一个逼真的 3D 战场，为军事人员提供准确的战况视图。一个好的沙盘模型还可以发现潜在的军事瓶颈或隐藏的敌人营地。

虚拟现实服装

接下来，我再来介绍一款充满高科技虚拟现实穿戴设备——虚拟现实服装。

虽然图形和显示系统是 VR 体验的重要组成部分，但许多人认为开发那些与用户交互的感官设备更为重要，比如一些触觉方面的力量反馈。

虽然进展缓慢，但人机界面（HMI）仍有一些令人感到兴奋的发展。目前有许多行业都有助于推动图形技术的发展，但对探索新型 HMI 的贡献并不多。通常，推进 HMI 的行业包括：娱乐领域、学术机构和小型 VR 公司。尽管如此，在一些 VR 系统中仍然使用了一些有趣的 HMI 设备，比如：手套和紧身衣裤。

手套，从一开始就在 VR 热潮中发挥了作用，虽然最初的产品设计师并不一定打算将它们用于 VR 领域。

使用有线手套，我们可以通过做出各种手势与虚拟对象进行交互。许多人称手套为 Data Gloves 或 Power Gloves，这两个术语都专门指特定型号的手套，而不是通用术语。并不是所有的手套都以相同的方式工作，但它们都允许用户用自己手部的动作来操控计算机里的人物。

手套有很多种类，光纤手套便是其中的一种类型，通过一系列光纤线来测量手指的伸展，然后用光纤将光信息从发射器传输到传感器。进入传感器的光量会根据用户握住手指的方式而变化——如果他将手指握成拳头，进入传感器的光就会减少，然后传感器会将这些数据发送到 VR 系统的 CPU。一般来说，这类手套需要为每个用户进行光学校准才能正常工作，所以使用起来会比较麻烦。

有一种类型的手套，使用涂有导电墨水的柔性材料条来测量用户的手指位置。当用户弯曲或伸直他的手指时，沿条带的电阻会发生变化。CPU 解释电阻的变化并做出相应的响应。这些手套不如光纤手套准确，但价格便宜很多！

当然，如果你想要一个真正准确和反应灵敏的手套，你应该使用“灵巧手大师”（dexterous hand master，DHM）。DHM 使用连接到每个手指关节的传感器，通过机械部件将传感器连接到你的关节，这意味着手套就成为了一个外骨骼设备。虽然这种手套比光纤手套或使用柔性导电材料的手套更准确，但戴起来却很重，不太利于 VR 体验。

虚拟现实输入设备

下面，我们一起再来了解 VR 输入设备。

如果你的钱不够购买昂贵的 CAVE 系统或者一整套完整的 VR 服装，其实还有一些其他的选择。很多研究 VR 的人认为，如果一款设备在 VR 环境中能够为用户提供更自然的物理引导，也会大大增加用户的沉浸感。考虑到这一点，工程师和科学家们研发出了几种不同的可以增强用户虚拟感的设备。

一种设备是跑步机。跑步机对提升 VR 的沉浸感是有很用的，因为用户相对于现实世界保持静止，但他在跑步机上就会感觉自己好像是在虚拟环境中行走。而且跑步机与计算机连接也比较简单，连接成功后用户的跑步数就能对虚拟环境中的图形进行适当的调整，从而提升整体的沉浸感。

由于普通跑步机只能向前或向后两个方向行走。因此，有些公司已经开发出一种新型跑步机——全向跑步机，允许用户在任何方向上前进或后退。

普通跑步机一般都只有单个电机，所以只能相对于用户向前或向后施加力量，而全向跑步机则使用了两个电机，从用户的角度来看，跑步机可以向前、向后、向左或向右施加力量。两个电机协同工作，就可以让用户在缠绕着复杂的皮带和电缆系统的步行表面上沿着任何方向随心所欲地行走了！

还有一种设备是压力垫，它应该算是跑步机的替代品。你看到过的“Dance Dance Revolution”等体感游戏用到的压力垫，就是这种类型的设备。

压力传感器有很多种，但最常见的是机电式压力传感器。机电式压力传感器是一种继电器，当向传感器施加压力时电路就会激活。当电路形成通路时，电流流过时便会通知 CPU 更改发送给用户的图形输出指令。

VirtuSphere, Inc. 公司则是为用户在虚拟环境中移动提供了一种非常独特的方式。这个装置看起来像一个大号的“仓鼠球”——用户进入球体并在其中四处走动，球体放置在一个稳定的平台上，该平台有几个轮子靠在球体上，使其可以在任何方向滚动，同时保持在相同的固定位置。轮子中的传感器告诉 CPU 用户正在走哪条路，用户佩戴的 HMD 中的视图就会相应地发生改变。

虚拟现实跟踪系统

这一节，我将给大家介绍一下 VR 中的各种跟踪系统。

这一节的内容比较枯燥，不感兴趣的就可以选择跳过，直接下滑到文章末尾点个赞，然后收藏起来后再关注下我就可以了！

跟踪设备是任何 VR 系统中的固有组件。这些设备与系统的处理单元通信，告诉系统当前用户视角的方向。在物理空间内四处移动的系统中，跟踪器检测用户的位置、移动的方向和速度。

VR 系统中使用了几种不同类型的跟踪系统，但它们都有一个共同点。它们可以检测六个自由度( 6-DOF )——这些是对象在空间的 x、y 和 z 坐标内的位置以及对象的方向。方向包括对象的yaw、pitch和roll。

从用户的角度来看，这意味着当佩戴 HMD 时，视图会随着我们向上、向下、向左和向右看而发生变化。如果你以一定角度倾斜头部或向前、向后移动头部而不改变注视角度，视图也会发生变化。HMD 上的跟踪器告诉系统用户当前正在看哪里，CPU 就会将正确的图像发送到 HMD 的屏幕上。

每个跟踪系统都有一个产生信号的设备、一个检测信号的传感器和一个处理信号并将信息发送到 CPU 的控制单元。某些跟踪系统还要求将传感器组件连接到用户（或用户的设备），在这种系统中，需要将信号发射器放置在环境中的固定地点。有些系统则相反，需要用户佩戴发射器，同时周围环绕着连接到环境的传感器。

从发射器发送到传感器的信号可以有多种形式，包括但不限于：电磁信号、光信号、声波信号和机械信号。每种形式的技术都有相应的优缺点。

电磁跟踪系统

传输电磁信号的跟踪系统，电流依次流过三个相互垂直排列的线圈产生磁场，每个小线圈都变成一个电磁铁，系统的传感器测量其磁场如何影响其他线圈。测量结果会告诉系统发射器的方向和朝向。

一个好的电磁跟踪系统具有反应灵敏，延迟低的优点；缺点则是任何可以产生磁场的东西都会干扰发送到传感器的电磁信号。

光学跟踪系统

光学跟踪设备则是使用光来测量目标的位置和方向。光学设备中的信号发射器通常由一组红外 LED 组成，传感器感应发射的红外光的相机，LED 灯以连续脉冲方式发出红外光。摄像机则记录下 LED 灯发出的脉冲信号，然后将信息发送到系统的处理单元，就可以根据数据来确定目标的位置和方向。

光学系统的优点在于上传速度很快，延迟最小；缺点是摄像机和 LED 之间的光线可能会被遮挡，从而干扰跟踪过程，而且环境光或红外辐射也会降低系统的准确率。

声学跟踪系统

声学跟踪系统是通过发射和感应超声波（和蝙蝠类似）来确定目标的位置和方向。大多数都是测量超声波到达传感器所需的时间来进行跟踪。传感器在环境中的未知一般都是固定的，比如：用户佩戴超声波发射器，系统根据声音到达传感器所需的时间来计算目标的位置和方向。

声学跟踪系统缺点比较多，因为声音的传播速度相对较慢，所以目标位置的更新速度也就比较慢。另外，因为声速在空气中的传播速度会根据环境中的温度、湿度或气压而变化，这些因素也会影响系统跟踪的准确率。

机械跟踪系统

机械跟踪系统依赖于目标和固定参考点之间的物理连接。VR 领域中机械跟踪系统的一个常见示例是 BOOM 显示器。BOOM 显示器是安装在具有两个节点的机械臂末端的 HMD，系统通过机械臂来检测位置和方向。

机械跟踪系统的更新率非常高，但缺点是机械结构会限制用户的运动范围。

写到这里，我才猛然发现虚拟现实涉及到的内容真的是“罄竹难书”，不是简单几句话就能聊完的！看到这里的朋友也是耐心十足，给你们点个360度的赞！

长路漫漫，吾将上下而求索！我是