VR系列专题一:什么是VR

作者&投稿:邬芸 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
什么是VR?~

最近IT界我们听到最多的是VR技术,VR这阵风犹如前些日子的4K规格一样呼的一声就吹来了,随之而来的各种VR相关的消息在催生。简简单单的两个字母实际包含的内容相当的丰富。不过消费者似乎还觉得犯迷糊,到底VR是什么东西呢。

VR如此火 是前景一片大好还是一时风头
关于VR的定义,网上搜一下可以搜到这样的解释:VR是Virtual Reality的简称,即虚拟现实。是由美国VPL公司创建人拉尼尔(Jaron Lanier)在20世纪80年代初提出的。其具体内涵是:综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备,在计算机上生成的、可交互的三维环境中提 供沉浸感觉的技术。简单来说VR就是模拟现实感的一种技术。

VR虚拟现实技术并非单一的硬件设备,而是一种技术概念
所以VR是一种概念,并非具体定义到某一种产品。因此VR到底是什么,很多人是不清楚的,但是看到相关产品又会恍然大悟,原来这就是VR技术。VR一词 比较虚,而目前很火的VR眼镜可以大概告诉你它是个怎样的技术,戴上VR眼镜,你可以通过眼镜中显示的效果看到另外一个世界,你转动身体,眼镜中的内容也 会跟着移动,通过VR眼镜的重力感应器来实现所见画面的同步变动,模拟人眼看到的画面是一个完整的虚拟空间,加上大脑对既有成像的记录,可以让人感到就是 在另外一个空间一般。

VR虚拟现实很早应用在各类游戏当中,游戏外设是大众最早接触的VR硬设之一
实际上VR技术的应用很早很早就与大众接触了,尤其是一些手机游戏,第一人称的游戏视角可以配合手机的陀螺仪来实现视角与手机移动角度的同步切换,使整 个游戏画面模拟出一个连贯的空间感,这些就是VR技术的应用,而且在很早时候就已经推出。桌面游戏机、电脑游戏、以及掌机,在很早时候便推出具备空间模拟 的3D游戏,这些游戏往往需要我们按动按键来切换视角,与人的互动性较差。所以虽然在软件层面上构建了一个虚拟时间,但人总是觉得很难融入。所以对于我来 说,VR虚拟现实技术就是虚拟世界与现实结合的技术。
今年VR虚拟现实技术被厂商们所看重,所以一时间这个长期潜伏的技术浮出水面被广 为认知。当然最开心的是游戏厂商,因为新的配套硬件可以带来更多创作的空间,从而会出现新的游戏红利期。事实上除了游戏外,VR技术在现实生活当中的应用 也很多。但一般不针对大众消费者,而是特殊领域的应用,消费领域见得最多的只是地图看个实景之类的浅度应用。不过影像记录方面,今年似乎有了一个新的突 破。

(图中左四台为理光Theta M15,右边第一台为新款的理光Theta S)
VR技术的应用有赖于软件方面的输出与显示设备的配合,生活方面的应用有赖于相关的影像记录设备,今年也许是影像厂商嗅到了VR领域活跃的气息。纷纷投 入到了全景相机的开发当中。对于VR的应用,开发相关的软件及应用程序构造虚拟空间是一件比较容易的事情,反而打造虚拟的实景是比较困难的一个突破点。以 往的全景空间图用的是相机在同一地点拍摄不同角度的图片进行拼接,如今不少厂商推出了全景相机,这些产品可以单次拍摄完成全景照片,并且有与之对应的软件 进行解码,可以直接完成虚拟实景的打造。
理光Theta S是较早进入消费市场的全景相机,如今已经出了第二代的产品,采用正面和反面双超广摄像头来记录影像。除了可以拍摄全景照片,还可以拍摄全景视频,后期使 用理光自家的程序便可 以实现VR观看的效果。同时支持上传到YouTube视频网站,在手机端同样可以实现VR实景观看的功能。不过尝试过上传到国内网站,暂时不支持使用手机 陀螺仪来进行实时的角度变化视角。但可以通过手指来拖动切换视频的视角。

尼康KeyMission 360

LG 360 CAM
尼康今年的春季发布会上也发布了自家的KeyMission 360全景相机,同样采用的是双摄像头的设计,不同的是支持4K视频拍摄,还可以水下拍摄。用途要比理光Theta要更广。另外LG也推出了自家的全景相 机360 Cam,外观和性能与理光Theta S比较接近。越来越多的厂商进入了全景影像记录的领域,使得原本处于特殊领域的实景VR应用忽然就拉近到普通用户的视线范围内了。

三星Gear VR眼镜
而输出设备方面,以往需要使用虚拟影像头盔等设备来进行体验,今天出现了更多的便携式VR眼镜,这些眼镜比起过去的产品要更加适合家庭使用,三星推出的 Gear VR眼镜更是与手机相结合,对于大众来说,这样子的VR新体验更加容易接近。所以VR技术如今那么火爆,也是不同领域的厂商们共同努力的结果。当然VR技 术离普及还有很远的路。

VR在科技领域的广泛应用
VR技术在很早的时候就已经出现,如今才渐渐进入人们的视线当中,它的发展前景是否是厂商和媒体描绘得那么一片光明呢?可以说在专业领域里面,VR技术 的应用已经很广泛,医疗、救援、建筑模拟、军事应用等等,VR虚拟现实技术的运用可以节省下很多实操的开支,在科研领域里面非常吃香。但是它在民用领域里 面,被认知最多的目前是游戏和娱乐,基于VR技术的体感游戏和视频目前已经成为游戏开辟的新领域。而其他方面的应用显得十分缺乏。
对于 大众来说,VR技术的认知大多停留在VR眼镜观看虚拟空间的阶段,事实上VR技术并非一类硬件技术,而是一个新的概念性技术,用于将人的视听体感与虚拟空 间结合。所以今天大家能够看到的一些VR相关的东西,只是VR技术的冰山一角,今天VR开始在大众心目中提高热度,也只是很初级的阶段,未来很长一段时间 也都只会停留在这个阶段。
VR技术的前景确实是一片大好,但今天可以说只是一时火起,只因目前火起的是一些进入大众视线的硬件设备,而 VR技术最大的奥妙在于软件应用,能否带领大众去体验不同的虚拟空间,靠的不止是这些VR拍摄装置或是显示设备,而是取决于各个领域的技术人员能否根据不 同的需求来打造不同的虚拟空间去服务于大众。这道理如同4K电视大卖但4K信号未普及。只有当VR技术应用在生活中的各个领域广泛普及,VR技术才算是走 上康庄大道,创造整个行业的广阔天地。

是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体,其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。
随着社会生产力和科学技术的不断发展,各行各业对VR技术的需求日益旺盛。VR技术也取得了巨大进步,并逐步成为一个新的科学技术领域。

扩展资料
1、沉浸性
沉浸性是虚拟现实技术最主要的特征,就是让用户成为并感受到自己是计算机系统所创造环境中的一部分,虚拟现实技术的沉浸性取决于用户的感知系统,当使用者感知到虚拟世界的刺激时,包括触觉、味觉、嗅觉、运动感知等,便会产生思维共鸣,造成心理沉浸,感觉如同进入真实世界。
2、交互性
交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度,使用者进入虚拟空间,相应的技术让使用者跟环境产生相互作用,当使用者进行某种操作时,周围的环境也会做出某种反应。如使用者接触到虚拟空间中的物体,那么使用者手上应该能够感受到,若使用者对物体有所动作,物体的位置和状态也应改变。
3、多感知性
多感知性表示计算机技术应该拥有很多感知方式,比如听觉,触觉、嗅觉等等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术,特别是传感技术的限制,目前大多数虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、触觉、运动等几种。

VR的中文名称是虚拟现实,它利用计算机和各种传感技术,使人能够在模拟的现实环境中进行各种活动。我们体验VR的设备是VR头显,目前市面上的VR头显可为三大类:

PC/主机VR

移动VR

VR一体机

PC/主机VR需要连接PC或主机才能工作,性能比较强大,具有位置跟踪和体感交互功能。移动VR需要插入手机使用,受手机限制所以各方面性能都不及前者。而VR一体机是独立的式的VR设备,直接戴上就能开始体验。

1.2 VR新体验

VR能够提供与现实环境同样的视觉、听觉、触觉等感官体验。例如在看王菲演唱会的VR直播时,我们可以环顾周围360度的现场环境,既可以欣赏天后在台上劲歌热舞,也可以扭过头来跟着周围的粉丝一起挥手呐喊,感觉就在演唱会现场当中,也就是沉浸感十足。

VR能够提供符合人体行为习惯的交互体验。例如在游戏时我们可能会像哈利波特一样,边念咒语边挥动魔法棒来施放魔法,在观看NBA直播时可能会与其他观众击掌助兴,这一切交互行为都如同在现实生活般自然,一个手势,一个眼神,都可以成为我们的输入控制方式!

1.3 VR和3D电影的区别

VR和3D电影的立体显示原理都是基于人体左右眼的视差,但是实现方式略有不同,3D电影的常用做法是,把左右眼对应的图像加不同的偏振光,然后重叠在一起,通过屏幕播放出来,裸眼观看是模糊的,戴上对应于左右眼的偏振光眼镜之后观看,使左眼看到左眼图像,右眼看到右眼图像。而VR的做法比较简单直接,就是为左右眼提供具有视差的两组图像。虽然都是具有立体视觉效果,但是VR和3D电影最大的不同点在于VR提供的是沉浸式的体验,让人仿佛身临其境。

1.4 VR融入生活

可能有的人认为VR十分“科幻”,是很遥远的东西,不,VR已经在慢慢融入我们的日常生活了。春晚、NBA、明星(王菲)演唱会等时事热点、娱乐活动已经采用VR的方式直播,YouTube、腾讯视频、优酷等大量视频平台已经在提供VR全景视频,还有VR游戏、淘宝BUY+ VR购物,以及说走就走的VR旅游(谷歌地球)。其实我们生活的各个方面都有看到VR的影子。

二、VR体验及其相关要素

体验过VR的人应该知道,虽然VR很有吸引力,但是目前的VR体验还不够满足我们的要求。首先是视觉上看起来不够清晰,然后是容易造成眩晕恶心。下面我们介绍VR体验及其相关要素。

2.1画面体验要素

2.1.1清晰度

通常,视频分辨率是我们衡量视频清晰度的一个指标。以视频分辨率为例,首先我们给出大家所熟悉的普通视频分辨率,如下表:

但是,两个相同分辨率普通视频和VR全景视频,他们的观看效果是不一样的。假设在显示器支持的条件下,普通的4K视频片源,在显示器中显示的画面就是4K的。而在4K全景视频会先把画面还原到一个空间球面上,人在空间球里面往外看,只能看到视场角范围内的部分球面,所以显示器只能显示4K全景视频画面的一部分。例如王菲演唱会的VR直播是4K的,但是观看起来清晰度要比4K低许多,因此不少人抱怨没有看清天后的面容。

另外清晰度也和显示器有关。一方面,高清晰度的视频需要高分辨率的显示器来支持,显示器分辨率越高,对于观看的清晰度越好。另一方面,人和显示器的距离也会影响到观看是否清晰。例如普通的2K电视,我们的观看距离大概是2-3米甚至更远,这时会觉得挺清晰的,但是如果我们靠近到半米内观看,就会觉得不清晰。在VR中,屏幕距离人眼大概5-10cm,经过透镜光学放大后,大概会在前方25-50cm处成像,想象下在半米内看2K电视会看到什么,可能是颗粒和锯齿!

从生理角度看,这其实与人眼视觉有关。人眼在一度的视角内所能看到的像素数称为PPD(Pixels Per Degree),一般而言PPD越大,观看清晰度越高,当PPD达到60(人眼视网膜极限)时观看清晰度最高。以4K(3840*1920)的VR全景视频为例,其水平方向PPD约为11(3840/360=10.67),远低于60,而观看普通标清视频的PPD约为11,所以从PPD的角度看,目前的4K VR全景视频和标清的普通视频观看起来清晰度是差不多的。

不过不用担心,VR全景视频的体验很快会得到大幅提升,因为在VR全景视频制作中,专业级的全景摄像机已经可以生成8K的全景视频源,而显示屏也将在2017年升级为4K。

那为什么8K全景视频需要4K显示屏呢?我们知道8K电视观看8K视频是比较理想的,但在VR全景视频中不是。8K全景视频的水平PPD约为22(7680/360=21.33),我们以最基础的90度FoV要求来估算,则单眼水平像素数为21.33*90=1920,即屏幕分辨率需要达到单眼1920*1920,双眼3840*1920,也就是需要4K屏了。用同样的方法可以得到4K全景视频需要2K分辨率的显示屏。如果以Vive和Rift的110度FoV计算,结果会略有偏差,但总的来说,双眼2K的头显适合看4K VR全景视频,双眼4K的头显适合看8K VR全景视频。

2.1.2眩晕感

在体验VR时,画面经常是变化的,而人通常是静止的,这时候容易感到眩晕,和晕车晕船的情况差不多。这种情况下,变化的画面通过人体的视觉系统传到大脑,大脑认为画面变化是由于身体发生了某些运动引起的,而控制着身体平衡与协调的耳前庭器官并没有向大脑反馈身体的运动信息,因此大脑感受到视觉信息和运动的不协调,就可能会导致眩晕、恶心或者呕吐等反应,俗称晕动症。晕动症也和个体的体质有关,正如有的人容易晕车而有的人天生就不晕。

天生晕VR的人通过后天的锻炼可以克服VR晕动症,同时设备商也会从设备角度帮助我们减少晕动症的影响。经过研究,引起VR眩晕的一个主要原因是MTP(Motion To Photons)时延,MTP时延是指从头动到显示出相应画面的时间。MTP时延太大容易引起眩晕,目前公认的是MTP时延低于20ms就能大幅减少晕动症的发生。为降低MTP时延,一方面需要提升GPU的渲染性能,另一方面需要将显示屏的刷新率提高到75HZ以上,目前Vive和Rift都达到了90HZ的屏幕刷新率。所以不用太担心眩晕的问题。

2.1.3流畅性

提高刷新率的另一个好处是使画面更加流畅。一讲到刷新率,大家自然会联想到帧率。刷新率和帧率是不同的概念,但它们影响了VR体验的流畅性。

普通电影一般是24FPS的帧率,看起来是足够流畅,而李安的《中场战事》有120FPS,更加流畅,据说全球只有5家电影院能播放!这是因为高帧率的视频需要高刷新率的显示器来匹配,例如用60HZ的显示器来播放120FPS的视频,那么显示器会每隔一帧显示一个画面,人看到的还是60FPS的效果,因此刷新率是画面变化速度的上限。反过来用60HZ的显示器来播放30FPS的视频,那么显示器会把每一帧画面显示两次,人在这一秒看到的是30帧画面,所以在显示器支持的情况下,帧率代表了画面实际的流畅性。

电影利用了人眼视觉暂留特性形成流畅的画面,一系列静态画面以每秒 24帧播放,就能骗过大脑产生动态的感觉。但是在一些大型游戏中,24FPS还不够,例如CS、LOL游戏可能需要60FPS或以上才感觉流畅。拍摄电影所用的胶片或者数码感光元件也像人眼一样具有视觉残留,以24FPS为例,每帧电影画面记录的是1/24秒内所有物体的运动轨迹影像,于是人眼观看起来感觉很流畅很舒服。而游戏的画面是GPU渲染出来的,每帧游戏画面对应的是一个瞬间的影像,即使是运动很快的物体也会渲染得很清晰,不符合人眼的观看习惯,于是感觉很矛盾、不流畅。

这种情况在VR中会更突出,而不流畅的画面也可能会引起眩晕,所以VR需要高刷新率的显示器,同时还要高性能的GPU来保证稳定的、比较高的帧率。

2.2交互体验要素

为什么大家都觉得廉价的VR盒子体验不好呢?很大的一个原因是因为它的交互很少,交互可以简单地理解为我们向VR系统的输入和VR系统向我们的反馈。好的交互能带来更强的沉浸感,试想在PSVR中玩《生化危机7》的时候,用自己的手来拿武器攻击丧尸比用手柄来控制,是不是更带感?交互包括了位置追踪、输入控制和反馈等方面。

2.2.1追踪系统

如果人在VR中发生了移动、转动,而画面没有得到相应的变化,那么就会感到不自然,所以需要进行追踪。我们移动的方向有三组,前后左右上下,头部的转动方向也是有三组,左看右看,上看下看,还有左右歪着头看,所以一共是有6个自由度的运动,称为6DoF(Degree of Freedom)。普通的VR盒子只能追踪头部的转动,只有3DoF。当然更自然的、更好的是6DoF的追踪。

随着2017年1月份的CES展会,inside-out的追踪基本成为VR盒子、VR一体机的标配。对应的还有outside-in追踪,Vive/Rift/PSVR的追踪系统就属于outside-in。所谓的outside-in 是需要在头显的外部空间放置一些追踪设备,例如Vive的两个lighthouse基站。而inside-out就是在头显内部集成了追踪系统,不需要再安装其他设备了。它们是两种不同的追踪方式,各有优劣。

2.2.2输入控制和反馈

好的VR体验,还需要有好的输入控制和反馈系统。例如手势识别可以让我们更自然的控制虚拟化身的手,表情识别可以极大地方便我们在VR中分享心情。另外,人的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉可以直接关系到VR的沉浸感。立体视觉和立体音效已经可以实现,触觉、嗅觉和味觉的反馈技术也在加快发展。在VR中,“这是一个有味道的视频”就不再是调侃了。

三、良好VR体验的网络需求

有了好的VR设备,我们还需要好的网络来支撑VR应用的体验。例如我们通过VR看全景视频时,如果网络带宽不够,就会发生卡顿,卡顿情况严重的可能会导致身体不适。还有在玩VR在线游戏时,如果网络时延较大,轻则输掉游戏,重则引发头晕恶心。因此VR体验的好坏还受到网络的影响。接下来为普通家庭介绍良好VR体验具体需要的网络。

3.1 良好VR体验的网络需求

如果是主要是看VR视频,那么需要比较大的带宽,根据iLab发布的《面向VR业务的承载网络需求白皮书》,看4K全景视频大概需要25Mbps的带宽,看8K全景视频大概需要100Mbps的带宽。具体计算公式为:每帧像素数(7680*3840)*色深(8bit)*每秒的帧数(30fps)*YUV420采样率(3/2)*H264的压缩比(1/165)*经验值(1.5)。

为了提高我们的观看体验,2017年VR全景视频会逐步提升至8K,所以建议按照8K全景视频的带宽需求来计算。另外需要考虑一个家庭的VR终端数,中国家庭户均人数约为3人,那么普通家庭可能会拥有1-3个VR终端,所以建议100-300Mbps的带宽套餐。

如果主要是玩VR游戏,对带宽的需求没有看VR全景视频那么高,但是对网络时延的要求却比较高。玩VR在线游戏时,网络主要是负责传输一些控制数据,为了减少晕动症的发生,需要保证网络时延+设备处理时延小于20ms。设备处理时延包含屏幕的刷新周期11.1ms、传感器采样时间1ms、显卡渲染时间(大概几毫秒),所以留给网络传输的时间不多了,建议使用光纤套餐。

综合考虑,目前可以推荐100-300Mbps的家庭光纤带宽。

3.2 VR对网络需求仍在提高

第一,目前的VR还处于发展早期阶段或入门体验阶段,未来1-2年会有较大体验提升,包括分辨率更高、帧率更高、视场角更大、基本不会眩晕等。第二,社交元素在不断地融入到VR应用当中,通过VR聊天,玩多人在线的VR游戏等等。所以未来几年良好VR体验将会需要更高的家庭带宽和更低时延的网络。

通过以上的科普,应该对VR有了一定的了解了。也可以开始入这个VR坑了,期待未来它会发展的越来越好。




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