VR系统的组成与交互技术汇总

今天给大家介绍一下VR系统的组成与当前一些VR交互技术，希望大家对VR有更深的理解。
一个典型的虚拟现实系统主要由计算机、输入输出设备、虚拟现实设计/浏览软件等组成。用户以计算机为核心，通过输入输出设备与应用软件的虚拟世界进行交互。

计算机
在虚拟现实系统中，计算机是系统的心脏，主要用于接收、处理、控制显示各种信息及相互间的作用和状态，负责虚拟世界的生成、人与虚拟世界的自然交互等功能的实现。
输入输出设备
在虚拟现实系统中，用户与虚拟世界之间要实现自然的交互，必须采用特殊的输入输出设备，用以识别用户的各种信息输入，并实时生成逼真的反馈信息。
VR输入设备如动作捕捉、手势识别、声音感知等体感类设备，通过感知用户输入信息，与虚拟世界进行交互，输入设备是实现消费者交互、沉浸感的重要技术。
下面是一些在VR虚拟现实场景中运用到的交互技术：

动作捕捉
用户想要获得完全的沉浸感，真正“进入”虚拟世界，动作捕捉系统是必须的。目前专门针对VR的动捕系统，目前市面上可参考的有 Perception Neuron。但是这样的动作捕捉设备只会在特定的超重度的场景中使用，因为其有固有的易用性门槛，需要用户花费比较长的时间穿戴和校准才能够使用。相比之下，Kinect这样的光学设备在某些对于精度要求不高的场景可能也会被应用。
全身动捕在很多场合并不是必须的，它的另一个问题，在于没有反馈，用户很难感觉到自己的操作是有效的，这也是交互设计的一大痛点。

触觉反馈
这里主要是按钮和震动反馈，这就是下面要提到的一大类，虚拟现实手柄。目前三大VR头显厂商Oculus、索尼、HTC Vive都不约而同的采用了虚拟现实手柄作为标准的交互模式：两手分立的、6个自由度空间跟踪的（3个转动自由度3个平移自由度），带按钮和震动反馈的手柄。这样的设备显然是用来进行一些高度特化的游戏类应用的（以及轻度的消费应用），这也可以视作一种商业策略，因为VR头显的早期消费者应该基本是游戏玩家。这样高度特化/简化的交互设备的优势显然是能够非常自如地在诸如游戏等应用中使用，但是它无法适应更加广泛的应用场景。

眼球追踪
提起VR领域最重要的技术，眼球追踪技术绝对值得被从业者们密切关注。Oculus创始人帕尔默•拉奇就曾称其为“VR的心脏”，因为它对于人眼位置的检测，能够为当前所处视角提供最佳的3D效果，使VR头显呈现出的图像更自然，延迟更小，这都能大大增加可玩性。同时，由于眼球追踪技术可以获知人眼的真实注视点，从而得到虚拟物体上视点位置的景深。所以，眼球追踪技术被大部分VR从业者认为将成为解决虚拟现实头盔眩晕病问题的一个重要技术突破。
事实上，在业内人看来，从眼球追踪技术本身来说，虽然在VR上有一些限制，但可行性还是比较高的，比如外接电源、将VR的结构设计做的更大等。但更大的挑战在与通过调整图像来适应眼球的移动，这些图像调整的算法目前来说都是空白的。有两个指标，一是图像自然真实，二是快速延迟小。这对VR+眼球追踪提出了更高的要求，如果达到这两点，VR的可玩性会再提高一个档次。

肌电模拟
关于这个我们通过一个VR拳击设备Impacto来说明，Impacto结合了触觉反馈和肌肉电刺激精确模拟实际感觉。具体来说，Impacto设备分为两部分。一部分是震动马达，能产生震动感，这个在一般的游戏手柄中可以体验到；另外一部分，也是最有意义的部分，是肌肉电刺激系统，通过电流刺激肌肉收缩运动。两者的结合能够给人们带来一种错觉，误以为自己击中了游戏中的对手，因为这个设备会在恰当的时候产生类似真正拳击的“冲击感”。
然而，业内人士对于这个项目有些争议，目前的生物技术水平无法利用肌肉电刺激来高度模拟实际感觉。即使采用这种方式，以目前的技术能实现的也是比较粗糙的感觉，这种感觉对于追求沉浸感的VR也没有太多用处，“还不如震动马达”。还有一位从事疼痛缓解理疗仪的朋友表示，利用肌肉电刺激来模拟真实感觉需要克服的问题有很多，因为神经通道是一个精巧而复杂的结构，从外部皮肤刺激是不太可能的，但是“随便”电刺激一下让肌肉运动以当做反馈是可以的。

手势跟踪
使用手势跟踪作为交互可以分为两种方式：第一种是使用光学跟踪，比如Leap Motion这样的深度传感器，第二种是将传感器戴在手上的数据手套。
光学跟踪的优势在于使用门槛低，场景灵活，用户不需要在手上穿脱设备，未来在一体化移动VR头显上直接集成光学手部跟踪用作移动场景的交互方式是一件很可行的事情。但是其缺点在于视场受局限，以及我们之前所提到的两个基本问题：需要用户付出脑力和体力才能实现的交互是不会成功的，使用手势跟踪会比较累而且不直观，没有反馈。这需要良好的交互设计才能弥补。
数据手套，一般在手套上集成了惯性传感器来跟踪用户的手指乃至整个手臂的运动。它的优势在于没有视场限制，而且完全可以在设备上集成反馈机制（比如震动，按钮和触摸）。它的缺陷在于使用门槛较高：用户需要穿脱设备，而且作为一个外设其使用场景还是受局限：就好比说在很多移动场景中不太可能使用鼠标。不过这些问题都没有技术上的绝对门槛，完全可以想象类似于指环这样的高度集成和简化的数据手套在未来的VR产业中出现，用户可以随身携带随时使用。
这两种方式各有优劣，可以想见在未来这两种手势跟踪在很长一段时间会并存，用户在不同的场景（以及不同的偏好）使用不同的跟踪方式。

方向追踪
方向追踪除了可以用来瞄点，还可以用来控制用户在VR中的前进方向。不过，如果用方向追踪调整方向的话很可能会有转不过去的情况，因为用户不总是坐在能够360度旋转的转椅上的，可能很多情况下都会空间受限。比如头转了90度接着再转身体，加起来也很难转过180度……所以，这里“空间受限无法转身是一个需求”，于是交互设计师给出了解决方案——按下鼠标右键则可以让方向回到原始的正视方向或者叫做重置当前凝视的方向（就是你最初始时候面向的那个方向），或者可以通过摇杆调整方向，或按下按钮回到初始位置。但问题还是存在的，以用户面朝的方向作为行走方向比起键鼠和gamepad，转向和视觉相匹配极大地增强了沉浸感，但是却有可能玩得很累，削弱了舒适性。

语音交互
在VR中海量的信息淹没了用户，他不会理会视觉中心的指示文字，而是环顾四周不断发现和探索。如果这时给出一些图形上的指示还会干扰到他们在VR中的沉浸式体验，所以最好的方法就是使用语音，和他们正在观察的周遭世界互不干扰。这时如果用户和VR世界进行语音交互，会更加自然，而且它是无处不在无时不有的，用户不需要移动头部和寻找它们，在任何方位任何角落都能和他们交流。

传感器
传感器能够帮助人们与多维的VR信息环境进行自然地交互。比如，人们进入虚拟世界不仅仅是想坐在那里，他们也希望能够在虚拟世界中到处走走看看，比如万向跑步机。然而体验过的人都反应过，这样的跑步机实际上并不能够提供接近于真实移动的感觉，目前体验并不好。还有的想法是使用脚上的惯性传感器使用原地走代替前进，比如StompzVR。还比如全身VR套装Teslasuit，戴上这套装备，可以切身感觉到虚拟现实环境的变化，比如可感受到微风的吹佛，甚至是射击游戏中还能感受到中弹的感觉。
这些都是由设备上的各种传感器产生的，比如智能感应环、温度传感器、光敏传感器、压力传感器、视觉传感器等，能够通过脉冲电流让皮肤产生相应的感觉，或是把游戏中触觉、嗅觉等各种感知传送到大脑。但是，目前已有的应用传感器的设备体验度都不高，在技术上还需要做出很多突破。

真实场景设计
就是造出一个与虚拟世界的墙壁、阻挡和边界等完全一致的可自由移动的真实场地，它是一个混合现实型的体验，把虚拟世界构建在物理世界之上，让使用者能够感觉到周围的物体并使用真实的道具，比如手提灯、剑、枪等。这种真实场地通过仔细的规划关卡和场景设计就能够给用户带来种种外设所不能带来的良好体验。但规模及投入较大，且只能适用于特定的虚拟场景，在场景应用的广泛性上受限。

未来多通道的交互将是VR时代的主流交互形态，目前，VR交互的输入方式尚未统一，市面上的各种交互设备仍存在各自的不足。
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