虚拟现实技术是如何工作的？
2015/9/20 11:57:26 中国科普博览

     出品：科普中国

     制作：北极星科普创客团队

     监制：中国科学院计算机网络信息中心

     人类想要逃避乏味的现实去往另外一个世界的愿望古已有之。我们会听故事，读小说，看电影，玩游戏，到了计算机技术兴起的现在，就有了虚拟现实技术(Virtual Reality，简称 VR)。

     最终极的虚拟现实技术或许像电影《黑客帝国》演绎的那样，一根连接线插在脑后，我们就进入了另外一个世界。当然这只是科幻中的畅想，真实的虚拟现实技术究竟是怎样的呢？

     虚拟现实技术的概念早在上世纪60年代就提出了。人类通过视觉，听觉，嗅觉，触觉和味觉等几种感官接受外界的信息。其中最重要的可能是视觉。

     有研究认为人类接受的信息80%是来自于视觉，所以目前的虚拟现实技术也主要集中于如何让人能够“看到”虚拟世界。至于如何“触摸”，如何“嗅闻”，如何“品尝”虚拟现实，就是以后的工程师需要考虑的问题了。

    最早的虚拟现实头显：诞生于上世纪60年代的达摩克利斯之剑

     想让人看到虚拟世界，要做的不仅仅是将屏幕安装在人的眼前。想让人对屏幕上呈现的画面产生“世界”的错觉，需要做的事情大概有两条：

     第一，双眼看到视角略有差别的画面，这样才会有立体感。

     第二，用户在转动头部的时候，画面会跟随着视野而改变。想要实现虚拟现实的效果，做到这两条最重要，画面是否非常逼真，反倒不是特别要紧。

     做到第一条并不是很困难，我们只需要在双眼各覆盖一个屏幕，并且显示不同的画面就可以。要做到第二条，就不是那么容易了，头显得有能够测量头部运动的手段才行，而且这个手段还得足够“快”，不然画面的显示跟头部运动脱节，用户就会感受到严重的晕眩。

    一个虚拟现实头显的基本构造

     现在大家看到的VR头显，基本上都是这样：一个戴在眼睛前面的大方块，里面是一块屏幕，和眼睛前边的两个透镜。为了测量头部的运动，头显一般还会包括额外的手段。比如使用惯性传感器，就像我们手机里的那种，来测量头部的转动；以及使用类似拍电影里的那种摄像头的办法跟踪头盔上的马克点，来测量头部的移动。

     头显是目前虚拟现实最重要的硬件部分，但是它并不是虚拟现实的全部。

     除了“看到”虚拟世界，我们还希望能够“走进”这个虚拟世界，与虚拟显示做交互。在虚拟世界中感知自己的身体是虚拟现实技术的另一个非常重要的组成部分。

     基本上，所有人在第一次戴上虚拟现实头显之后的第一个动作就是抬起双手试图找到自己的手，这生动的说明了虚拟现实中，能够感知到自己的身体和手是多么重要的环节。

     为了解决这个问题，各种跟踪人身体和手部运动的技术也都被发明出来。比方说使用惯性传感器来跟踪全身的运动；或者使用摄像头来捕捉手部。届时，戴上虚拟现实头显，穿上《三体》中所说的“V装具”，玩家就可以漫步于虚拟世界之中，想想是不是很酷？

    穿戴在手部和全身的传感器的动作捕捉系统，是虚拟现实交互的关键

     上面我们谈到了“显示”和“交互”，虚拟现实的第三个重要的环节，就是“内容”。我们有了能够逼真的显示虚拟世界的头显，有了能够将我们的身体、我们的手带入虚拟世界的动作捕捉系统，就需要内容能够让我们来体验了。还好，现在的虚拟现实产业，已经有丰富的正在开发或者已经公布的内容可以让我们体验。

     第一个大类就是转播类。想像一下，你能够在现场最前排的位置观看NBA比赛，或者摇滚音乐会，那该有多酷？有了虚拟现实你就可以做到了。现在有很多公司就在开发相应的设备，拍摄出的视频是360度球形视野的，戴上VR头显，观众就可以随意看到周天任何一个角度的画面。想想看，这样身临其境的感觉，跟去现场也差不多了。

    演唱会上安装的周天摄像机，为观众提供虚拟现实的演唱会体验

     第二大类就是游戏，这可能是虚拟现实目前最激动人心的部分。美国一家公司致力于将虚拟现实技术应用到主题公园中，打造非常逼真的虚拟现实体验。想想也是，玩家端坐在家里玩虚拟现实游戏，只能在一个小范围内活动，多没劲；而在主题公园里，配合各种相应的设备机关，就可以化身为冒险者，在各种各样的虚拟世界里冒险：比如阴森的地牢，或者末日后的废墟，或者未来的空间站等等。很可能这才是未来虚拟现实游戏的最适合的形态。

    主题公园中的虚拟现实体验

     那么我们可以坐在家里玩的虚拟现实游戏会有些啥呢？日本一家公司的虚拟现实游戏可以在虚拟现实中与美少女谈恋爱!在夏日波光粼粼的海边，面对一个美丽的金发少女，跟她坐在一起，似乎能真的感受到她柔顺头发上洗发水的清新气味……可以想见，这款游戏必然是宅男们的心头好。

    虚拟体验游戏

     第三个大类就是社交。读过尼尔·斯蒂芬森《雪崩》的读者都知道，在书中，未来的虚拟现实构成了一个巨大无比的世界，所有人都在其中与人交流。这个世界被称之为“超元域”(Metaverse)。

     如今“超元域”已然成为虚拟现实产业的术语，未来我们也可以在一个自己构建、自己定制规则的巨大世界中互相交流互动，一起娱乐、生活。在这个世界里我们的交流方式就不再是QQ、微信的文字，而是真切的面对面，这该有多棒!

    一家公司正致力于虚拟显示社交

     如果说互联网是建构在现实上的第一层虚拟空间，那么虚拟现实就是建构在互联网上的第二层虚拟空间。未来，我们也可能遇到一个问题：习惯与虚拟现实构成的世界，可能不愿意再回到现实——当虚拟世界中已经能满足你的所有需求，为什么还有回到现实中来呢？

     到那时，你会选择红药丸，还是蓝药丸？

    20年后的我们？

    

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