浅谈虚拟现实技术（一）

（一）关键技术

1、虚拟现实技术（VR）

虚拟现实

定义

虚拟现实 = Virtual Reality

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，并使用户沉浸到该环境中。

原理

虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机交互技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。

构成

虚拟现实技术主要由模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面组成。

• 模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。
• 感知是指理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知。
  除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。
• 自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。
• 传感设备是指三维交互设备。

特征

虚拟现实技术主要包括多感性、存在感、交互性和自主性四个重要特征。

• 多感知性：理想的虚拟现实，应该具有人体所具有的一切感知功能；
• 存在感：理想的模拟环境，应该达到让用户都难以分辨真假的程度；
• 交互性：用户对模拟环境内物体的可操作和从环境得到反馈上相互的，而且这种操作和反馈是实时的；
• 自主性：用户在虚拟现实运行中处于主导地位。

关键技术

当前，以网络/互联网为基础的虚拟现实技术，可划分为两个范畴：

1. 以图像为基础的三维全景技术，
2. 以三维模型为基础的3D建模技术。

2、3D建模

定义

3D：三维的，立体的

通俗来说，3D建模技术就是使用三维制作工具通过虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型，从而创建虚拟现实场景。

三维模型

概述

三维模型是物体的多边形表示，通常用三维软件制作出物体的模型，然后在计算机中模拟显示出真实的三维物体或场景。显示的物体可以是现实世界的实体，也可以是虚构的物体。任何物理自然界存在的东西都可以用三维模型表示。

构成

• 网格：网格是由物体的众多点云组成的，通过点云形成三维模型网格，这些网格通常由三角形、四边形或者其它的简单凸多边形组成。
• 纹理：纹理既包括通常意义上物体表面的纹理即使物体表面呈现凹凸不平的沟纹，同时也包括在物体的光滑表面上的彩色图案，也称纹理贴图（texture），当把纹理按照特定的方式映射到物体网格表面的时候，能使物体看上去更真实，最终形成三维模型。

建模技术

多边形建模技术的思想就是用小平面（实际中我们多用三角形或矩形）来模拟曲面，从而制作出各种形状的三维物体。这是最基本的几何模型的方法，也是现在最流行的建模方法之一。

建模工具

• 3ds Max
• Maya
• Cinema 4D
• Blender
• ...

三维模型示例如下所示：

3D模型

基于3D建模的虚拟现实技术

==有待补充==

效果如图所示：

vr

实例展示

sketchfab：A website where you can publish,share,and discover 3D content on Web, mobile, AR, and VR.

3、全景技术

定义/原理

三维全景技术是利用实景照片建立虚拟环境，按照照片拍摄->数字化->图像拼接->生成场景的模式来完成虚拟现实的创建。

• 全：全方位
• 景：实景
• 全景：真实的三维立体空间感觉

技术简介

• 全景图片

  传统的光学摄影的三维全景照片的视角是水平360度，垂直180度，即全视角360*180。

  例如，立方体全景照片通常是使用常规相机，以接片形式将拍摄对象前、后、左、右、上、下所有的场景都拍摄下来，展示时须将照片逐幅拼接起来，形成空心球形，画面朝内，然后观赏者在球内观看。

  随着数字影像技术和Internet技术的不断发展，现在可以用一个专用的播放软件在互联网上显示全景图片，用户可以用鼠标和键盘控制环视的方向，可左可右可近可远，使您感到就在环境当中。

• 全景视频

  全景视频（又称360°视频）是一种用3D摄像机进行全方位360度拍摄的视频，用户在观看视频的时候，可以随意调节视频上下左右进行观看，仿佛身处真实场景一般。

• 全景VR

  全景VR（又称VR全景，虚拟全景，虚拟实景）就是对全景照片或者全景视频添加交互操作，实现自由浏览，以VR的方式体验全景世界。
  一般来说，全景技术指的就是全景VR，全景VR也称为虚拟实景，是基于静态图像的虚拟现实技术，它是通过计算机技术实现全方位互动式观看真实场景的还原展示。

全景VR展示效果如下图所示：

全景VR

全景技术和虚拟现实的关系

全景技术≠VR，全景技术是虚拟现实技术的一个分支

• 全景技术基于实景照片只能做到虚拟实景，而VR是创建虚拟世界；
• 虚拟现实能够让体验者获得沉浸于虚拟世界的体验，并且能够在这个虚拟世界中与虚拟环境实现交互，而全景技术做不到这一点。

感受一下，如下图所示：

全景技术和VR的区别

或者，举个简单的例子：

• 全景VR：你坐在球场边看了一场球赛
• VR：你在球场亲自打了一场球赛

优点

1. 实地拍摄，真实感强，是真实场景的三维再现；
2. 有一定的交互性，用户可以任意选择自己的视角，任意放大缩小，实现自由浏览；
3. 全景图片文件数据量较小，非常有利于网络传输，易传播，易推广；
4. 开发周期短，开发成本低（相对于三维制作来说）；
5. 播放设备硬件要求低，可以使用电脑或手机上的播放器。

不足

1. 虽有3D效果，但无法进行深度交互，沉浸感不强；
2. 全景摄像机拍摄出来的图片或视频，理论上是不可能有“360度无死角”的全景体验，只能靠提升摄像头的数量来降低丢失立体角度的几率；
3. 全景技术不可能无中生有，只能做到虚拟实景，达不到真正的虚拟现实（而3D建模可以制作并展现任何你能想到的）。

Demo展示

全景VR看房（真不是打广告，没广告费的！）

4、立体摄像

定义

立体摄像又称3D立体拍摄技术，是指通过专业的3D立体拍摄设备，使用两台高清摄像机和立体拍摄架，同时以一定间距和夹角来记录影像的方式，突出画面的立体感，达到身临其境的直观感受。

技术简介

立体摄像技术主要应用于3D电影的拍摄与制作过程中

3D电影效果如下图所示：

3D电影

立体摄像和虚拟现实的关系

立体摄像技术并不是虚拟现实技术的范畴，它属于3D技术而不是VR技术。

为什么要在讲虚拟现实技术时提到立体摄像呢？是为了帮助大家更好的区别3D技术和VR技术！

3D技术和VR技术的区别

VR：交互式虚拟现实体验

• VR是利用计算机为用户提供一个交互式的可沉浸的身临其境的虚拟三维空间。它的特征主要有多感知性、交互性、沉浸性。
• VR是通过特定的头盔为用户形成密闭的虚拟现实体验空间，让用户根据头盔内的影像全方位感受虚拟场景。
• VR影像以用户为主体，随着用户肢体或者思维的改变，它会开辟出不同的画面和内容。

3D：立体视觉特效

• 3D电影是将两个影像重合后产生逼真三维立体视觉效果。
• 3D电影中，游客只需佩戴相关的3D眼镜就可以获得唯美精致的三维立体影像画面。
• 在3D电影中，游客不是自行开辟三维路线，而是随着屏幕内影像的移动改编空间、场景，从而产生身临其境的效果。

未来随着3D技术的提升，4D电影将会出现。相对于3D电影只是简单给用户视觉的逼真体验，4D电影则会根据影片的情节制造出烟雾、喷水、座椅摇晃等效果，让用户从知觉、触觉、视觉等多方面感受虚拟现实的效果。但是这和VR所提供的交互式虚拟现实体验仍旧不同！

5、3D建模VS全景技术VS立体摄像

==有待详细总结补充==

• 3D建模和全景技术是虚拟现实技术的两个分支，而立体摄像不属于虚拟现实技术的范畴；
• 基于3D建模技术的虚拟现实，良好的沉浸体验和深度交互能力；
• 基于全景技术的虚拟现实，，沉浸感不强且无法进行深度交互；
• 立体摄像，只能提供3D立体视觉特效；

6、参考资料

• 虚拟现实（百度百科）
• VR、VR全景是什么？
• VR视频和全景视频有什么区别？
• VR技术与360度全景视频的区别？
• 360度全景视频（Stereo3D）的现状以及发展趋势？
• vr和3d的区别是什么？