虚拟现实与现实，VR技术到底是什么？

 

相信大家都看过一部关于VR的电影，那就是由史蒂文·斯皮尔伯格执导的“头号玩家”。

该片根据恩斯特·克莱恩同名小说改编，讲述了在未来世界，由于现实生活无趣，无数年轻人沉浸在VR的虚拟世界中。而主人公韦德逐渐发觉：自己在现实和虚拟世界里都面临困境，并且他需要和小伙伴们一起拯救世界。

原作小说中，VR 眼镜基本上只作为进入虚拟世界的工具存在；而电影却十分逼真地展示了VR 眼镜对于两个世界如何联结和互动、人如何通过VR技术改头换面的重要作用。尤其是对于现实世界被 VR 所改变后的景象，描绘之精彩令人叫绝。

那到底什么是VR技术？它又是怎么发展到今天的呢？

什么是VR技术？

VR（Virtual Reality）技术，中文即虚拟现实，就是通过一系列技术手段来制造虚拟场景，并模拟各种感官感受来欺骗大脑，营造一种身临其境的真实感受。

这个概念最早可以追溯到Aldous Huxley 1932年推出的长篇小说《Brave New World》。这篇小说以26世纪为背景，描写了以机械文明为代表的未来社会中人们的生活场景。书中提到，“头戴式设备可以为观众提供图像、气味、声音等一系列的感官体验，以便让观众能够更好地沉浸在虚拟的世界中。”

23年后的1955年，摄影师Morton Heilig才设计出了头戴式设备的原型图。

VR眼镜初代机

这可以称得上是一个巧妙的装置，完美地结合了光学、人类视觉成像原理和大脑视觉感知系统，其架构今天仍然在使用。

实际上我们完全可以用一个纸壳子代替！

自制五毛钱VR眼镜

难道说，如果你带了这么一个VR眼镜，就能走进电影里那个奇幻的世界嘛？

并不能！

实际上，虚拟现实技术综合了硬件层面的传感器技术和软件层面的计算机图形技术、计算机仿真技术、显示技术等多种科学技术。它在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，能使用户具有身临其境的沉浸感，具有完美的环境交互作用能力。

而连接虚拟和现实的物质基础，就是传感器技术。

在使用VR设备时，最关键的指标就是：使用者在虚拟世界的物理信息。这主要是通过测量头部的朝向姿态及所处的物理位置来确定。据此，目前VR设备中的传感器主要可分为以下三类：

首先，最主要的一类是IMU传感器，即惯性测量单元。包括陀螺仪、加速度传感器和地磁传感器等。

想象一个笛卡尔坐标系，如下图所示，具有x轴、y轴和z轴；IMU传感器能够测量各轴方向的线性运动，以及围绕各轴的旋转运动。

IMU传感器原理图

在VR技术里，IMU传感器主要用于捕捉头部动作，特别是转动。对于VR设备而言，产品体验主要就是动作捕捉的准确性和显示的延迟这两方面，而这很大程度上，都是由设备中的IMU惯性传感器决定的。因此，IMU传感器在VR中起着基础核心的作用。

其次，第二个大类是用于定位和动作捕捉的传感器，这个主要用来实现动作捕捉，特别是使用者前后左右的移动。目前的方案有红外摄像头和红外感应传感器等。

这种传感器用到的最基本原理，大家在赵忠祥老师的全民公开课——“动物世界”里应该都学习过。

“颊窝——蛇的红外感受器”

最后，就是我们常见的分类--其他类型传感器。

我们把剩下的、不好分类的、杂七杂八的东西都放在这里，既有佩戴检测用的接近传感器、触控板用的电容感应传感器等已被广泛使用的传感器，也有被眼球追踪用到的高动态捕捉摄像头、实现手势识别、实现AR功能的传感器等可能会被应用在未来VR设备的传感器。

当然，有了这些硬件基础产生的数据，你已经具备了进入一个身临其境的“梦”的基本条件。最终，还是需要一个“大脑”里进行处理，那就是计算机。

同时计算处理单元还负责给你构造一个完美的虚拟世界，正如电影里的“绿洲”。

VR技术的奇妙之处

有人会说，没想到为了给我创造好的体验环境，科学家们真是煞费苦心。

实际上，早期这门技术首先由美国军方研发，目的是为了解决战斗机的飞行员的驾驶问题。

后来人们发现这种身临其境的沉浸感，有助于人机交互从而启发奇思妙想，所以逐渐被应用到民用领域。

提到沉浸感就不得不说VR的三大特点：沉浸（Immersive），交互（Interaction）和构想（Imagination）。（业界也叫“3I”）

沉浸感就是你玩VR感觉贼逼真，大脑相信自己所看、所听，所感受到的全部都是真实的，于是整个人全身心地投入到了这个虚拟的世界中去。

这怎么做到呢？实际上就是让机器通过模拟各种感觉来欺骗大脑。按照现有的传感器和机械技术，实际上一般只能模拟出视觉、听觉等为数不多的几种感知，但这已经占据人全部感知的90%以上了。差的那不到10%，就是你去玩VR还是感觉有点假的原因。

当然就算沉浸感贼真实，如果只能看不能摸，无法交互的话，大脑还会回过神来，意识到这一切终究是镜花雪月。

因此，VR必须让你能在虚拟世界里拳打脚踢、上蹿下跳，这就是各种传感器大显身手的地方。通过传感技术，可以跟踪人手的精细动作，身体跑，跳等动作，并在虚拟现实中进行反馈。

除了前面两点，虚拟现实的另一个重要特点就是构想。

你不光能对现实建模，还可以模拟现实中完全不存在的场景、不存在的事物以及不存在的规律，从而以和现实完全不同的方式来对大脑进行操控。

有了这些，虚拟世界将更加的真实，也能迸发出更多的想象力，让虚拟现实更好玩。

VR的展望

近几年，得益于半导体行业的高速发展，VR设备所需的传感器、液晶屏等零件价格降低，解决量产和成本的问题；随着通讯行业的发展，所有VR应用均可运行在云端，利用其强大的计算能力和渲染能力实现VR应用运行结果的处理，并把云端处理过的画面和声音再经过超低时延的5G网络发送到VR设备上。

科技的进步使得VR离普及越来越近了，许多大公司纷纷推出自己的VR产品。比如谷歌推出了廉价易用的Cardboard，三星推出了Gear VR等，消费级的VR开始大量涌现。

如今，VR不仅在（小）电影、直播、购物等娱乐领域野蛮生长，它在工作和生活中也有很多应用。如电视会议、教育模拟和旅游探索等，并向分布式虚拟现实发展。

同时虚拟现实技术已成为新产品设计开发的重要手段。其中，协同工作、虚拟现实是VR技术新的研究和应用热点。

开VR会议

此外，VR已成为构造虚拟样机、支持虚拟样机技术的重要工具。VR虚拟环境技术，可使工程师在三维空间中实时地与他们的设计样机（虚拟样机）进行交互。

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