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解密“頭號玩家”里的VR技術

發布時間:2018-04-09 16:39 來源:科普中國

出品:科普中國

    制作:中國科學院半導體研究所 蘇濤

    監制:中國科學院計算機網絡信息中心

  這兩天一部電影刷爆朋友圈,那就是由史蒂文·斯皮爾伯格執導的頭號玩家。 

  該片根據恩斯特·克萊恩同名小說改編,講述了在未來世界,由于現實生活無趣,無數年輕人沉浸在VR的虛擬世界中。而主人公韋德逐漸發覺:自己在現實和虛擬世界里都面臨困境,并且他需要和小伙伴們一起拯救世界。(潮點,沒看電影的人快拿小本本記下來,要不這兩天沒談資了。 

  這部電影不光在票房上大賣,而且在各大影評網站都廣受好評。 


豆瓣評價分布呈“P”型,典型的高質量電影 

  原作小說中,VR 眼鏡基本上只作為進入虛擬世界的工具存在;而電影卻十分逼真地展示了VR 眼鏡對于兩個世界如何聯結和互動、人如何通過VR技術改頭換面的重要作用。尤其是對于現實世界被 VR 所改變后的景象,描繪之精彩令人叫絕。 

  隨著這部電影的熱度,我們也可以預見到這將會在現實世界中促進VR產品市場大熱。 

  那到底什么是VR技術?它又是怎么發展到今天的呢? 

什么是VR技術? 

  VRVirtual Reality)技術,中文即虛擬現實,就是通過一系列技術手段來制造虛擬場景,并模擬各種感官感受來欺騙大腦,營造一種身臨其境的真實感受。 

  這個概念最早可以追溯到Aldous Huxley 1932年推出的長篇小說《Brave New World》。這篇小說以26世紀為背景,描寫了以機械文明為代表的未來社會中人們的生活場景。書中提到,頭戴式設備可以為觀眾提供圖像、氣味、聲音等一系列的感官體驗,以便讓觀眾能夠更好地沉浸在虛擬的世界中。 

  23年后的1955年,攝影師Morton Heilig才設計出了頭戴式設備的原型圖。  


VR眼鏡初代機 

  這可以稱得上是一個巧妙的裝置,完美地結合了光學、人類視覺成像原理和大腦視覺感知系統,其架構今天仍然在使用。如今市面上賣199包郵的VR眼鏡,基本都是這玩意兒。 

  實際上我們完全可以用一個紙殼子代替! 


自制五毛錢VR眼鏡 

  難道說,如果你帶了這么一個VR眼鏡,就能走進電影里那個奇幻的世界嘛? 

  并不能! 

  實際上,虛擬現實技術綜合了硬件層面的傳感器技術和軟件層面的計算機圖形技術、計算機仿真技術、顯示技術等多種科學技術。它在多維信息空間上創建一個虛擬信息環境,能使用戶具有身臨其境的沉浸感,具有完美的環境交互作用能力。 

  而連接虛擬和現實的物質基礎,就是傳感器技術。 

  在使用VR設備時,最關鍵的指標就是:使用者在虛擬世界的物理信息。這主要是通過測量頭部的朝向姿態及所處的物理位置來確定。據此,目前VR設備中的傳感器主要可分為以下三類: 

  首先,最主要的一類是IMU傳感器,即慣性測量單元。包括陀螺儀、加速度傳感器和地磁傳感器等。 

  想象一個笛卡爾坐標系,如下圖所示,具有x軸、y軸和z軸;IMU傳感器能夠測量各軸方向的線性運動,以及圍繞各軸的旋轉運動。 


IMU傳感器原理圖 

  VR技術里,IMU傳感器主要用于捕捉頭部動作,特別是轉動。對于VR設備而言,產品體驗主要就是動作捕捉的準確性和顯示的延遲這兩方面,而這很大程度上,都是由設備中的IMU慣性傳感器決定的。因此,IMU傳感器在VR中起著基礎核心的作用。 


讓我們打開這個頭戴式VR設備 

  順便說下,如果你體驗過VR技術,就可以感覺到,那玩意兒太重了,如果能像電影里一樣輕便,那就好了。 

  而筆者所在的半導體所研究的MEMS技術(微機電系統)正致力于解決這個問題。什么叫MEMS?可以看下面這張圖。 

  MEMS,就是把又大又笨重的IMU傳感器做的小巧,實現大白變小白的過程。 

  其次,第二個大類是用于定位和動作捕捉的傳感器,這個主要用來實現動作捕捉,特別是使用者前后左右的移動。目前的方案有紅外攝像頭和紅外感應傳感器等。 

  這種傳感器用到的最基本原理,大家在趙忠祥老師的全民公開課——動物世界里應該都學習過。 


“頰窩——蛇的紅外感受器”(圖片來源,中科院成都生物所) 

  最后,就是我們常見的分類--其他類型傳感器。 

  我們把剩下的、不好分類的、雜七雜八的東西都放在這里,既有佩戴檢測用的接近傳感器、觸控板用的電容感應傳感器等已被廣泛使用的傳感器,也有被眼球追蹤用到的高動態捕捉攝像頭、實現手勢識別、實現AR功能的傳感器等可能會被應用在未來VR設備的傳感器。 

  當然,有了這些硬件基礎產生的數據,你已經具備了進入一個身臨其境的的基本條件。最終,還是需要一個大腦里進行處理,那就是計算機。(有人又要爭辯道,軟件里只講計算機不能算VR……VR!……碼農的事,計算機能算VR么?) 

  同時計算處理單元還負責給你構造一個完美的虛擬世界,正如電影里的綠洲。 

VR技術的奇妙之處 

  有人會說,沒想到為了給我創造好的游戲環境,科學家們真是煞費苦心。(哼,美得你) 

  實際上,早期這門技術首先由美國軍方研發,目的是為了解決戰斗機的飛行員的駕駛問題。(對,飛行員叔叔剛開飛機,也暈也會吐) 

  后來人們發現這種身臨其境的沉浸感,有助于人機交互從而啟發奇思妙想,所以逐漸被應用到民用領域。 

  提到沉浸感就不得不說VR三大特點:沉浸(Immersive),交互(Interaction)和構想(Imagination。(業界也叫“3I”) 

  沉浸感就是你玩VR感覺賊逼真,大腦相信自己所看、所聽,所感受到的全部都是真實的,于是整個人全身心地投入到了這個虛擬的世界中去。 

  這怎么做到呢?實際上就是讓機器通過模擬各種感覺來欺騙大腦。按照現有的傳感器和機械技術,實際上一般只能模擬出視覺、聽覺等為數不多的幾種感知,但這已經占據人全部感知的90%以上了。差的那不到10%,就是你去玩VR還是感覺有點假的原因。  

  當然就算沉浸感賊真實,如果只能看不能摸,無法交互的話,大腦還會回過神來,意識到這一切終究是鏡花雪月。 

  因此,VR必須讓你能在虛擬世界里拳打腳踢、上躥下跳,這就是各種傳感器大顯身手的地方。通過傳感技術,可以跟蹤人手的精細動作,身體跑,跳等動作,并在虛擬現實中進行反饋。 

  比方說,你伸手摸虛擬女友的臉,應該能感受到皮膚的細膩柔軟和身體的溫度。 

  除了前面兩點,虛擬現實的另一個重要特點就是構想。 

  你不光能對現實建模,還可以模擬現實中完全不存在的場景、不存在的事物以及不存在的規律,從而以和現實完全不同的方式來對大腦進行操控。 

  有了這些,虛擬世界將更加的真實,也能迸發出更多的想象力,讓虛擬現實更好玩。 

VR的展望 

  近幾年,得益于半導體行業的高速發展,VR設備所需的傳感器、液晶屏等零件價格降低,解決量產和成本的問題;隨著通訊行業的發展,所有VR應用均可運行在云端,利用其強大的計算能力和渲染能力實現VR應用運行結果的處理,并把云端處理過的畫面和聲音再經過超低時延的5G網絡發送到VR設備上。 

  科技的進步使得VR離普及越來越近了,許多大公司紛紛推出自己的VR產品。比如谷歌推出了廉價易用的Cardboard,三星推出了Gear VR等,消費級的VR開始大量涌現。 

  如今,VR不僅在游戲、()電影、直播、購物等娛樂領域野蠻生長,它在工作和生活中也有很多應用。如電視會議、教育模擬和旅游探索等,并向分布式虛擬現實發展。 

  同時虛擬現實技術已成為新產品設計開發的重要手段。其中,協同工作、虛擬現實是VR技術新的研究和應用熱點。 


VR會議 

  此外,VR已成為構造虛擬樣機、支持虛擬樣機技術的重要工具。VE――虛擬環境技術,可使工程師在三維空間中實時地與他們的設計樣機(虛擬樣機)進行交互。 

  認真的男人最帥! 

  實際上,筆者認為VR技術不僅可以用在上面那些地方,同時可應用于以下場景: 

  沒人邀請我做報告,作為Poster在會議中該怎么體會做Oral的快感? 

  答:帶上VR眼睛,在虛擬世界做Oral; 

  實驗員回家了,用不了實驗室的我,要怎么才能在明早組會前完成實驗方案? 

  答:帶上VR眼睛,做模擬實驗; 

  如何在他人的婚禮待客宴上談笑風生,而不被任何人看出你單生狗的失落? 

  答:下一題 

  希望VR技術繼續發展,未來真的能有一個美麗的綠洲,供我們寄放靈魂。 

    參考文獻: 

    1.《頭號玩家》.恩斯特·克萊恩(). 

    2.《頭號玩家》發布預告 虛擬世界“綠洲”極致呈現. 鳳凰網. 

    3. <頭號玩家>影評. 豆瓣網. 

    4.《動物世界》 20141015 蛇的神奇之處(一). 

    5.關于VR,這篇科普可以說是很全面了. 無線深海. 

    6.Lowe, David G. (2004). "Distinctive Image Features from Scale-Invariant Keypoints". International Journal of Computer Vision 60 (2): 91110. doi:10.1023/B:VISI.0000029664.99615.94. 

    7.Bay, H., Tuytelaars, T., Van Gool, L., "SURF: Speeded Up Robust Features", Proceedings of the ninth European Conference on Computer Vision, May 2006. 

    8.Martin A. Fischler & Robert C. Bolles (June 1981). "Random Sample Consensus: A Paradigm for Model Fitting with Applications to Image Analysis and Automated Cartography" (PDF). Comm. of the ACM 24 (6): 381–395.doi:10.1145/358669.358692.   

編輯:王媛
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