VR最伟大？五感相通 这是一场人机交互的盛宴.doc

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1、VR最伟大？五感相通这是一场人机交互的盛宴　　什么是真实？在电影黑客帝国中，电脑接管了人类的视觉、听觉、嗅觉、触觉等讯号，让人们从出生开始就生活在虚拟世界中却浑然不知。这虽然是科幻片，但令人浮想联翩。　　2014年，Facebook20亿美金收购了OcumulusRift。同年GoogleI/O，Google发布了Cardboard，一款利用廉价纸板和手机屏幕就可以实现虚拟现实的DIY设备。2015年初，Microsoft公开了一款介于虚拟与增强现实之间的头戴设备HoloLens，现场演示十分惊艳。此外各大公司与游戏厂商都纷纷在虚拟现实（VirtualReality，简称V

2、R）领域布局，众多初创公司也在摩拳擦掌，顿时，VR成为炙手可热的话题。虽然黑客帝国中描述的故事不太可能在现实发生，但VR以及VR所带来的全新体验已然走进了寻常百姓家，为人津津乐道。　　VR最伟大？的地方在于其构造简单，成本低廉，几乎每个人都可以自己动手制作！比如Google最近发布的Cardboard，利用手机屏幕作为显示器，利用普通纸板作为机身，利用透镜聚焦图像，利用一个小磁铁作为控制开关，利用手机上的传感器（比如陀螺仪，加速度计）作为头部控制，利用手机上的APP来显示不同的内容和场景制作。整套成本不超过1美元！　　　　图1人眼的FieldofView(FoV,视场）通常

3、可以达到180度。而普通相机的视角最多只能到达150度。宽阔的视场更能让人具有身临其境的代入感。图中所示水平视场约135度，垂直视场约60度　　然而，逼真的VR效果仍然亟待很多最新科技来帮助实现。怀着好奇心，我们来探讨VR背后的黑科技。接下来主要从感官世界（视觉，听觉，嗅觉，触觉），以及人机交互的角度讨论如何建造黑客帝国，实现身临其境的体验。同时分析黑科技背后的产业趋势和机遇。　　感官世界　　目前大部分的VR设备主要侧重在重构视觉与听觉，然而这仅仅是虚拟现实技术中的冰山一角。想象你住在北京的胡同里，却可以戴着VR头盔游览意大利佛罗伦萨街角的一家水果店。你看到水果店周围的古朴

4、建筑，水果店主人向顾客微笑，并不宽阔的街道上车水马龙人来人往，街旁小贩快乐的叫卖声传进你的耳朵，这时你嗅到了新鲜水果的清香，于是你伸出手，竟可以触摸到水果，感觉这般真实。不仅如此，图象，声音，气味，纹理的感觉，都随着你的移动而变化，仿佛亲临佛罗伦萨。　　最近看到一些尝试模拟多种感官的VR设备，比如[1][5]。除了基本的视听功能以外，这些设备可以传递气味、风、热、水雾、以及震动。此类设备的用户体验在目前仍然有待提高，技术上并不完善。然而在学术界，相关的研究已经持续了好几十年。下面我们来细数VR背后的黑科技。　　　　图2通过分屏显示左右眼不同内容获得图像的纵深感。系统参数包括

5、视场大小，屏幕分辨率，透镜焦距，双眼间距，眼睛到透镜距离等。一般来说，视场越宽，视觉代入感越强。但是过宽的视场会造成图像扭曲以及像素被放大。所以需要综合考虑系统设计。　　视觉　　一般认为人的大脑的三分之二都用于视觉相关的处理，那么VR首先要解决的就是如何逼真地呈现图景来欺骗大脑。目前的主要的解决方案是通过融合左眼和右眼的图像来获得场景的纵深感。其原理主要是通过将三维场景分别投影到人的左、右两眼，形成一定的视差，再通过人的大脑自动还原场景的三维信息。这里涉及几个主要参数：FieldofView(视场）决定了一次能呈现多少场景，又分为垂直视场和水平视场。通常水平视场越宽越好（比

6、如接近180度），垂直视场在90度左右。　　屏幕分辨率则决定了细节的逼真度。所谓视网膜屏幕，就是说屏幕像素相对于观看距离来说是如此之高，以至于人的肉眼无法分辨曲线是连续的还是像素化的。高像素对于逼真的VR体验至关重要。值得注意的是，视场和屏幕分辨率通常成反比关系。宽视场可以通过透镜的设计来实现。然而过宽的视场会导致场景的边缘扭曲，同时像素被放大。设计上通常要平衡这两点。延迟则决定了系统响应速度。一般来说24帧每秒的帧速要求系统延迟小于50毫秒，甚至更多。　　另外还有一些物理参数比如双眼间距，透镜的焦距，眼睛到透镜距离等（见图3），需要综合考虑。对于虚拟场景的重现，主要是通过

7、计算机图形学对合成物体作逼真的渲染，然后分别投影到头盔佩戴者的左右眼来实现。而对于真实场景的重现来说，侧重于如何采集现场画面，并且完整地记录下场景的几何信息。这个可以通过体感相机（比如MicrosoftKinect）或者相机阵列进行(如图4所示）。比如说Google今年推出的Jump[6]就采用了16台GoPro来制作虚拟场景。　　　　图3利用间隔一个头部距离的一对麦克风可以忠实地记录从声音源到双耳的传递过程　　听觉　　声音配合画面才能淋漓尽致地展现现场效果。最简单的方法就是直接从手机播放声音。　　然而一般的声音录