虚拟现实技术综述

在本篇报告里,我将浅谈一下本人对虚拟现实的认识,本篇报告将分为以下两个方面:
1、 虚拟现实依托的技术。
2、 虚拟现实存在问题。
由于本人知识储备不足,报告的大部分内容来源于网上文档,且如果理解有错误,请各位给予指正!

一、虚拟现实依托的技术

1、设备端

设备端是指与VR眼镜相关的计算机技术,有三个方向,分别是显示技术、定位技术和识别技术,如下图所示:
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1.1、显示技术
目前VR设备有三大类:外接式头显(pcvr、psvr、oculus)、一体机、手机盒子,这三类设备用到的操作系统都是基于现有计算设备的系统,所以从系统层面并没有引入新的技术,但是在显示层面,它的技术却复杂许多。
当游戏引擎渲染出一个VR画面后,并不能像手机电脑等直接上屏,还需要经过反畸变、合成、位置预测等过程,才能上屏。这需要用到计算机图形学和操作系统相关的知识。
另外,为了提高渲染的效率,还需要引入注视点渲染技术。

1.2、定位技术
VR中图像的生成,依赖于定位的准确性。这涉及了头部定位和手柄定位两块技术。从技术路线上看,定位技术可以分为以下三类:
(1) 外置激光定位(lighthouse)
通过外置的激光发射器扫描空间,通过计算头盔和手柄接收到激光信号的时间来推导设备的空间坐标。优点是:速度快,位置准,缺点是:贵。比如HTC vive。
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(2)外置视觉定位
通过外部放置的摄像头,拍摄头盔/手柄上的光点,计算设备的位置。如oculus rift(红外线)和psvr(可见光)都是使用这种方式。为准确快速检测出光标点,需要图像处理、计算机视觉的知识储备。
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(3)内置视觉定位(insideout)
通过头盔上的摄像头拍摄的画面的变化,来估计头盔的位置。微软wmr、oculus quest用的是这种方式。优点是不需要外部设备,缺点是响应速度和定位精度不如外置激光定位。
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Oculus quest用的是insideout,有四个定位摄像头

1.3、识别技术
为了能对用户的动作指令做出响应,需要对人体的姿态进行识别。包括:手势识别、身体姿态识别、表情识别、眼动追踪等。
手势识别有两种方法,一是佩戴手套或者根据手柄的按键,靠硬件识别;二是基于计算机视觉进行识别。前者更精准快速,后者使用方便。
身体姿态识别也是硬件和计算机视觉两种方法。让使用者佩戴硬件设备是目前比较常用的方案。
表情识别也是如此,主要是用计算机视觉来做,也可以在脸上贴片。
眼动追踪主要是靠计算机视觉做,也有靠眼部肌电信号进行眼动追踪的方法。
在实际应用中,上述方法还是多出现于B端场景,C端使用较少,当然随着硬件设施的进步,C端也会逐渐引入更多的交互方式。

2、应用端

搭好VR设备后,根据不同的应用场景,应用端的相关技术可以分为以下几类:虚拟现实技术综述_第5张图片
2.1、 内容开发
最常见的是游戏开发,技术层面跟普通的3d游戏相近,大多使用unity3d和
ue4开发。

2.2、视频制作
关于VR视频的制作,现在的硬件已经比较完善,一些摄像头可以直接输出360度全景视频。但是视频领域依旧有两个领域需要探索:视频分片解码和容积摄影。
视频分片编解码可以解决带宽不够和芯片解码的限制。为了能够传输和播放12k的视频,需要能够在编解码环节进行优化。
容积摄影通过多个摄像头从多个角度拍摄同一个场景,构造一个人可以在里面漫游的视频场景。

2.3、网络技术
“云VR”,类似于“云游戏”的概念,将游戏或者应用运行在云端服务器,然后通过视频的形式发送到用户的设备。
综上所述,学习虚拟现实,需要掌握计算机视觉、计算机图形学、图像处理等方面的知识。

二、虚拟现实存在问题

1、网络技术
在4G技术的加持下,最火的VR交友游戏VR chat中,每个房间只能支持最大在线人数30,这一现象很能说明VR网游想要推广所遇到的最大困难——网络传输问题。由于虚拟三维模型的数据量相当庞大,所以当前的VR游戏市场,基本都是单机游戏。
云VR,作为VR发展的趋势之一,能够将VR设备轻量化。本地VR的渲染分为以下几步:获取姿态——渲染场景——反畸变+预测处理——上屏。而云VR,将场景的渲染、反畸变及预测处理等操作运行在云端服务器,本地的设备只需要将接收到的视频进行上屏即可,但随之而来的网络延迟不可避免。
随着5G技术的推广,云VR受到广泛期待,但采用云VR后,增加了对图像编码、传输、解码的步骤,延迟必定会增加。即使引进5g技术,云VR的实际效能还是有待观察。

2、VR眩晕感
在网上查阅资料时,有些科技媒体将VR发展的最大限制归结于使用VR时不可避免的眩晕感,那么人类为什么会对VR产生眩晕感?原因或许在于VR产生的画面无法真正地欺骗我们的大脑,主要原因可以分为三大类:

2.1、移动问题
在正常情况下,人类通过视觉、前庭系统和肌肉共同协作,通过神经告诉大脑,我们的身体所处的位置和状态。但在VR设备带来的虚拟世界中,人类只有视觉能感受到移动,而前庭系统和肌肉会因为身体实际并未移动,会给大脑传达与视觉感受相悖的信息,人类的大脑同时处理矛盾的信息,就会使人产生眩晕和恶心的心理反应。

2.2、 延迟问题
VR设备在感知人体动作和渲染、上屏场景间存在一定的延迟,会造成身体动作与看到画面的不同步,可能这一差距非常小,但依然会引起人体的不适。可以采用前文提到的位置预测来弥补动作和画面的延迟。

2.3、场景和观察问题
VR设备产生的视觉场景,其范围大于人类的正常视觉范围,这是为了给用户带来更好的沉浸感,但可能会使人体产生不适应。
用户为了观察虚拟场景,会移动眼球和头部,移动眼球时,虚拟场景不会随着人类的眼球移动而改变;而移动头部时,(如果是头盔式VR设备)场景会随着用户头部的移动而产生变化,比如当我们头部倾斜时,画面也会跟着倾斜,但在我们的正常世界中,环境是不会跟着头部的移动而产生移动,这一现象就会增加人体不适感。
2.4、视觉辐辏调节冲突
视觉辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict),简称VAC,是一种神经科学现象,是眼睛与物体之间的实际距离与聚焦距离不匹配造成的。
VR设备的物理景深与真实世界不符,当人类观察较近的物体时,聚焦点较近时,瞳孔的位置会相对靠近,聚焦点较远时,瞳孔的位置会相对远离,这一现象被称谓视觉辐辏。VR设备发出的光是平面的,不带有深度信息,目前的VR设备还无法形成物理景深,只能靠画面的清晰与模糊营造景深的视觉效果。用户在对画面进行观察时,由于无法感受到深度信息,只能将焦点放在屏幕上,这与画面营造的景深效果相悖,这会使得用户产生比较严重的眩晕感。

3、移动区域限制
在斯皮尔伯格的电影头号玩家中,主角团和反派在绿洲游戏里展开最终决战的场面激烈壮观,而在现实世界里,玩家戴着VR设备挥舞手脚战斗的画面可就没那么有观赏性了。斯皮尔伯格加了好多玩家在现实世界狭小的空间里游戏,结果东碰西撞的镜头来烘托喜剧氛围,由此可说明VR游戏的一大问题,即移动区域。
在传统的VR游戏里,玩家的移动受到限制。如限定玩家在某一范围进行操作(如射击游戏《Elven Assassin》、音乐游戏《Beat Saber》),此时玩家是无法在场景中移动漫游的;或者允许玩家在场景中漫游,但移动是借助手柄进行的(如站在VR游戏顶点的《半条命Alyx》),不够有沉浸感。王老师的Oculus里的动作射击游戏《Super Hot》是支持自由移动的,但是也存在着诸如敌人的攻击这样的隐性限制条件。在虚拟世界,即使视野里一片广袤无垠,用户的移动还是受限于真实世界。虚拟现实技术综述_第6张图片
电影里给出的解决方案是一台“跑步机”,但是能让用户随心所欲地移动的跑步机,以目前的技术水平,即使能够生产,也很难普及到大众市场。

4、感官限制
人类的感觉有很多种,如视觉、听觉、触觉、嗅觉等,而目前消费级别的VR设备只能实现视觉、听觉上的虚拟现实。

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