浅谈虚拟现实VR

什么是VR？VR=VirtualReality=虚拟现实虚拟现实，或虚拟实境（VirtualReality），简称VR技术，是指利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。1什么是VR？最新的虚拟现实技术通过高清晰度头戴式显示器、高保真扬声器、动作追踪系统、以及其他知觉模拟器使得虚拟现实用户获得前所未有的临场感。2VR行业近期重大事件2014年，Facebook以20亿美元收购初创公司Oculus2016年3月，Oculus公司产品OculusRift正式上市销售2016年3月，微软公司产品HoloLens（开发者版）开始销售2016年3月，索尼公司产品PlayStationVR正式公开2016年4月，HTC公司产品HTCVive上市销售2016年4月，工信部发布《虚拟现实产业发展白皮书5.0》2016年5月，虚拟现实和增强现实国家及行业标准开始制定3为什么是VR？技术的发展使相关概念的实现成为可能各大公司VR旗舰产品集中发售VR带给人们新鲜独特的体验VR在各大领域都有巨大的发展前景4VR的基本特性5沉浸感Immersion构想性Imagination交互性InteractionVR系统的组成6硬件内容电影、游戏、娱乐节目、教育课程……头戴式显示器、体感控制器、多功能交互系统……VR发展简史（1）71963年，美国著名科幻杂志编辑，科幻文学的先驱之一，工程师雨果·根斯巴克在《Life》杂志发表文章。在文章中，他探讨了他的发明——“Teleyeglasses”，这是一款头戴式的电视收看设备。VR发展简史（2）1968年，美国科学家，“计算机图形学之父”伊凡·苏泽兰开发了一款显示器，该立体视觉系统被称为“达摩克利斯之剑”，该头戴式显示器是一个真实的虚拟和增强现实设备的最早例子之一，能够显示一个简单的几何图形网格并覆盖在佩戴者周围的环境上。8VR发展简史（3）1985年，美国航空航天局（NASA）研制了一款安装在头盔上的VR设备，称之为“VIVEDVR”，其配备了一块中等分辨率的2.7英寸液晶显示屏，并结合了实时头部运动追踪等功能。其作用是通过VR训练增强宇航员的临场感，使其在太空能够更好的工作。9VR发展简史（4）101991年，在IBM研究室的协助下，美国Virtuality公司开发了虚拟现实游戏系统“VIRTUALITY”，玩家可以通过该系统实现实时多人游戏，由于价格昂贵及技术水平限制，该产品并未被市场接受。VR发展简史（5）111995年，日本任天堂（Nintendo）公司推出32位携带游戏主机“VirtualBoy”，其技术原理是将双眼中同时产生的相同图像叠合成用点线组成的立体影像空间，但限于当时的技术，该装置只能使用红色液晶显示单一色彩。“虚拟现实元年”2016年被称为虚拟现实的元年，随着相关产品的集中发售，VR行业将步入高速发展阶段。预计到2016年底，Oculus销量将达到100万部，HTCVive销量将达到100万部，索尼PSVR销量将达到250万部，而移动VR用户数量将达到1800万部。VR技术的应用在游戏、影音、直播等泛娱乐领域率先兴起。据测算，全球VR游戏市场未来3年的盈利空间分别为12亿美元、23亿美元和52亿美元，每年呈现爆发式增长。12基本原理及主要技术基本原理◦头戴显示器的成像原理主要技术◦计算机图形技术◦动作捕捉技术◦人机交互技术13头戴显示器14头戴显示器（HeadMountDisplay，HMD）是一种可穿戴式显示装置，一般戴在头上或作为头盔的一部分，通过小型液晶显示屏显示图像，经过光学系统校正后投射到用户眼中。正立放大虚像液晶显示屏凸透镜头戴显示器15为了使用户获得3D的视觉体验，即深度知觉（Depthperception），HMD需要在左右眼显示不同的图像，常用的方法包括使用双路视频输出，或者将视频按奇偶帧进行时分复用等。1617计算机图形技术计算机图形学（ComputerGraphics，CG）是一种使用数学算法将二维或三维形体转化为计算机图形的科学，是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，将真实世界的对象物体在相应的三维虚拟世界中的重构，并保存部分物理属性，逼真的计算机图形可以构筑出以假乱真的虚拟世界，是使用者产生身临其境的感觉。18人机交互技术人机交互（Human-ComputerInteraction）技术就是让用户能从虚拟环境中获取和真实环境一样或者相似的听觉、感觉、触觉和力觉等感官认知并与虚拟现实世界产生互动的关键技术，包括体感控制、手势识别、语音控制等。19动作追踪技术追踪（Tracking）技术通过惯性测量单元、红外传感器、摄像头等传感器对用户头部的HMD及手中的控制器进行动作追踪，当用户转动头部或是移动身体，虚拟现实系统会对用户的动作进行实时反馈，追踪系统的好坏会极大影响用户的使用体验。20主要的VR硬件产品基于台式机的VR产品◦基于PC的VR◦基于游戏主机的VR移动VR产品◦基于智能手机的VR◦轻量级移动VR21OculusRift22HTCVive23PlayStationVR24SamsungGearVR25GoogleCardboard26各产品性能对比产品名称分辨率刷新频率视野范围发售时间价格OculusRift2160x120090Hz110°2016.3$599HTCVive2160x120090Hz110°2016.4$799PlayStationVR1920x1080120Hz100°2016.10$399GearVR2560x144060Hz96°2015.11$99GoogleCardboard---2014.6Free27VR在各行业的应用事件直播商务医疗保健电子游戏娱乐和电影旅游28事件直播NextVR等公司已经通过专属算法和360度摄像机来提供体育和其他事件的VR直播，包括NBA和NHL等体育赛事，用户观看时可以获得身临其境的感觉，好像自己就在现场。NextVR目前已经支持多个VR平台，包括三星GearVR、索尼PlayStationVR、OculusRift和HTCVive。29商务零售商已开始创建VR购物体验，提供一种类似于实体展厅的观赏体验，这不仅允许消费者虚拟体验任何一款服装或其他消费者产品，还允许零售商捕捉到一些极具价值的信息，如用户试用了哪些产品，倾向于哪种虚拟展示方式等。30医疗保健许多公司在医疗保健领域探索VR的应用潜力。通过创建个性化的VR体验来模拟现实生活，医生和治疗师正尝试通过这种新疗法来治疗恐惧症和其他疾病患者。例如，美国南加州大学创新技术学院(USCICT)就推出了一种VR疗法，用于治疗创伤后应激障碍(PTSD)。而伦敦VirtualExposureTherapy公司也利用VR来治疗恐惧症。31电子游戏所有三家台式机VR公司Oculus、HTC和索尼都为今年的首发准备了大量游戏，许多游戏和内容工作室也已经针对VR发布了其游戏主题。32娱乐和电影从质量的角度讲，以VR形式展现电影内容能为观众提供更好的沉浸式体验。Oculus已经成立了自己的电影工作室StoryStudios，制作原生VR内容。该工作室已经表示，计划制作5部较短的VR动画片。此外，Oculus还与Felix&PaulStudios工作室合作为OculusRift创作VR内容。33旅游如今，海滩、丛林、瀑布、金字塔和世界其他奇观都可以通过VR系统来“实地”体验。马克•扎克伯格曾为希望去意大利小镇的观光者展示了一段VR旅游视频。在澳大利亚，澳洲航空已经在其长程航班上部署了VR体验。此外，澳洲航空还与三星和RapidVR合作制作一部新VR电影，允许乘客以360度视角感受大堡礁。34将虚拟与现实结合VRVirtualReality虚拟现实纯虚拟ARAugmentedReality增强现实虚拟+现实35增强现实增强现实技术（AugmentedReality，AR），是一种实时地计算观察者的位置及角度并生成虚拟图像并进行叠加显示的技术，这种技术的目标是把虚拟内容套在现实世界并进行互动。36常见的AR应用视频媒体◦电视转播生活应用◦手机导航公共安全◦救援系统国防军事◦战斗辅助系统37电视转播足球比赛中，前锋越位时回放慢动作38手机导航Layar软件使用GPS及陀螺仪收集附近信息并叠加显示39公共安全LandForm+将实景增强的地理信息搜索和救援40国防军事FA-18战斗机上HUD（平视显示器）搭载的辅助战斗系统41基本原理及主要技术基本原理◦混合显示的成像原理主要技术◦机器学习◦计算机视觉◦人机交互技术42混合显示43投影透镜半透膜虚拟内容真实世界区别于常见的增强现实技术，光学穿透式增强现实设备采用光学组合器（如半反半透玻璃）直接将虚拟场景同外部世界在人眼中融合，使用者可以在看到周围真实环境的同时看到计算机产生的增强信息。机器学习机器学习（Machinelearning）理论主要是设计和分析一些让计算机可以自动“学习”的算法。通过机器学习可以从一类从数据中自动分析获得规律，并利用规律对未知数据进行预测。44计算机视觉计算机视觉（Computervision）是使用计算机及相关设备对生物视觉的一种模拟，它的主要任务就是通过对采集的图片或视频进行处理以获得相应场景的三维信息。45识别技术识别（Recognition）技术通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，对视野中的人物、场景、物体等信息进行识别，或利用指纹、虹膜、语音等特征来进行个人身份的鉴定。46主要的AR硬件产品单眼式双眼式近眼光场式47GoogleGlass48MicrosoftHoloLens49EyeTap（概念阶段）50MagicLeap概念展示51AR的应用场景家庭娱乐生活办公52AR与家庭娱乐利用HoloLens游玩游戏Minecraft53AR与生活利用HoloLens进行视频通话54AR与办公利用HoloLens辅助设计55未来AR的展望医疗卫生科研教育56AR与医疗卫生利用光场技术构建器官模型57AR与科学研究利用AR辅助进行气象研究58AR与教育使用AR构建的虚拟教师59总结各类VR产品将进入快速普及阶段，但仍有较大发展和优化的空间。HoloLens类AR产品由于价格昂贵和技术缺陷等原因仍未被大众完全接受。高端AR产品技术实现十分困难，很长时间内只会停留在概念阶段。60