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去掉所有渲染与特效,真正的虚拟现实其实是这样的

发表时间:2015-11-5 18:46作者:Aimee 阅读(85937) 评论: 1

导读: 今天我们来说说输入(Input)技术想象一下,如果一台电脑只有显示器,没有鼠标和键盘,这台电脑是没办法操作的。过去一段时间虚拟现实的所有注意力都集中在显示技术方面,但这种没有“鼠标”和“键盘”的VR设备只能 ...

今天我们来说说输入(Input)技术

想象一下,如果一台电脑只有显示器,没有鼠标和键盘,这台电脑是没办法操作的。过去一段时间虚拟现实的所有注意力都集中在显示技术方面,但这种没有“鼠标”和“键盘”的VR设备只能用来看视频。

不过在今年的 GDC 和 E3 大展上出现了很多“输入”设备。这里所说的“输入”,是指专门为虚拟现实及其交互功能所设计出来的控制设备。

STEM

去掉所有渲染与特效,真正的虚拟现实其实是这样的(中篇)

还记得上一篇我们说到 Sixense 为 Samsung 的 Gear VR 开发了基于磁场的位置追踪装置。同样的,其 STEM 无线手柄所使用的也是磁场。这是一种过去几十年来一直被用于 CAVE 虚拟现实系统的老式技术。

CAVE(即 cave automatic virtual environment,意为洞穴式自动化虚拟环境)本质上是一个基于投影的虚拟现实房间,最简单的是两面墙加上地板,也有复杂到上下左右前后全部封闭起来的六面体结构。如果你看过英剧《黑镜》,就可以理解大概是这样的一个东西:

去掉所有渲染与特效,真正的虚拟现实其实是这样的(中篇)

CAVE 通常都是基于一个巨大的金属框架,其最初的交互方式是通过基于磁力检测的体感设备或控制器来进行的。如同超人对于氪石的厌恶反应一样,磁场对于金属的反应也并不是很好。这就是为什么 CAVE 最终都转向了基于光学摄像头的追踪技术。

根据 Sixense 公司 CEO Amir Rubin 的说法,其全新的 STEM 手柄已经克服了磁场与金属框架交互相关的难题。在每一个 STEM 手柄内部的 IMU(inertial measurement unit,惯性测量单元)协助下,Sixense 通过关联磁场数据和 IMU 的数据来确保最终位置信息的一致性。在所有公开的演示中,我们看到这项技术都工作得很好。

Oculus Touch

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Oculus VR 所使用的输入设备是一个半月形手柄——Oculus Touch。

他们是基于两种追踪技术交叉而成的:其一是 Oculus CV1 及 Crescent Bay 正在使用的红外追踪技术,其二是传统体感手套那种精准而昂贵的动作追踪技术。不过不同于基于体感手套那种确定用户手指的精确位置与抓握程度的技术,半月形手柄通过检测不同按钮或电容式触控开关的状态来模拟出设备被握持的方式。

尽管起初我使用得比较挣扎,但其他人认为它还是很容易上手的。不论怎样,针对虚拟现实环境的操作来说,这个总比普通的游戏手柄更合适。

Vive Lighthouse

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HTC 和 Valve 为 Vive HMD 的控制器配备的是一套激光束追踪系统,名为 “Lighthouse”(意为灯塔)。

激光追踪系统听起来很高大上,其实原理倒不复杂。你需要在天花板及房间对面挂载两个激光发射基站,而在VR头盔和手柄上覆盖着许多光子传感器。这些光子传感器也是根据一定的规则来放置的。当激光束闪烁到这些传感器上时,Lighthouse 系统根据激光闪烁的时间来计算出该设备相对于基站的位置和方向。

StarVR

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Starbreeze Studios 的 StarVR HMD 产品原型在 E3 大展上展示的《行尸走肉》使用的是基于摄像头的追踪技术。StarVR HMD 用的是两块 2.5K 的超高清屏幕,除此之外他们还使用菲涅尔透镜将视场扩大到惊人的210度。位置追踪则通过一种贴在头戴上的识别贴作为标记,然后用一个外置的摄像头来检测这些标记的摆放方式从而推断出该头戴设备或是其他物品的位置。

Starbreeze Studios 的首席技术官 Emmanuel Marquez 表示,他们想要它的 VR 头盔在未来 5 年内分辨率能够达到 8K 的程度。

PlayStation Move

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Sony 的 Move 平台是由 PlayStation Eye 摄像头和 Move 手柄共同组成。手柄顶端有一个可以动态改变颜色的球体,这种用以区别房间背景的颜色变化更便于摄像头来追踪球体。Move 手柄上的加速度计和角速度传感器可以用来检测手柄的转动。把所有这些元素结合起来,使得该手柄的准确度非常高。

尽管 Move 技术当时只是开发出来用以进行 PS 游戏上一些有趣的互动操作,它反而很容易被转用为 Sony 的 PSVR 里面最为核心的头部追踪技术。因为从技术标准上来看,它的既能满足延迟低,又可以进行头部位置追踪。

Leap Motion

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当然,还有一种能够捕捉你指尖每一个细微动作的手势控制设备:Leap Motion。

它仅有一块小的巧克力棒大小,拥有两个摄像头和3个红外 LED 灯。摄像头能捕捉任何反射回来的红外光,通过软件模拟,它能够创造出其视场内实时的立体图景。Leap Motion 最新的软件甚至拥有一种补偿技术,当你的一只手覆盖住另一只手时可用于追踪手部骨骼的运动。

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Leap Motion 可以追踪到设备前面2英尺范围的运动,并且 Razer 已经把它用作其 OSVR 平台的官方配件,为其头戴式显示器追踪手部运动。

FOVE

FOVE 公司的名字源自拉丁文 "fovea”(即视网膜中央凹,主要用于正常光强条件下辨别颜色及其他视觉信息),它正在开发一个基于眼球追踪的设备。根据公开演示,你只需要动动眼球就可以控制虚拟界面,而且还能根据你所看到的场景来调整景深。

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如前所述,对于虚拟现实而言,你必须要有足够强大的处理能力来实现必需的画面帧率与超低延迟。而想要实现临场感,你必需要有足够大的视场。不过,我们并不需要整个视场的图像都要保持那么高的分辨率。想象一下你在看东西的时候,一般只会注意你聚焦的事物而忽略周围的东西。因此人们并不关心视场边缘区域的细节。所以,眼球追踪技术就开启了一种可称为是“中央凹渲染”的方法:即大部分的图形处理能力都用来增强屏幕上你所关注的那一小块区域的细节,而对于你所无法有效注意起来的边缘区域则分配尽可能少的资源。简而言之,眼球追踪技术所实现的是一种更为有效的渲染方式,因为它只需要渲染好你所需要看到的那部分图像就够了。

在2015 E3 大展上 MTBS 采访 FOVE 的视频中,FOVE 表示等到其 HMD 开发者版套件发货时“中央凹渲染”技术应该就可用了。该公司还同 Valve 在 Lighthouse 追踪方案的使用上建立起了合作。(Valve 正在向符合条件的第三方设备发放其位置追踪技术的使用许可。)

Sulon Cortex

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值得一提的另外一个解决方案是:Sulon Technologies 正在开发中的混合VR和AR的头戴。它跟 Google 的 Magic Leap 或是 Microsoft 的 HoloLens 差不多,而且宣传视频也非常吊炸天。而且,Sulon 已经开发出足以让大家兴奋的产品原型。

Sulon Cortex 用一对摄像头来扫描整个房间,它的算法会基于你正在看到的东西以及你与之交互的方式来生成一层虚拟界面,其结果是一种混合了你周围的真实环境与数字世界的增强现实体验。

当然,想要达到视频中的效果,现在版本的产品只能算是这一技术的早期阶段,但是像 Sulon Technologies 这样的公司正在朝正确的方向努力。

移动(Locomotion)

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实现临场感的另一个巨大挑战在于能够体验到令人信服的全方位物理运动。如果你的身体移动了,而看到的内容则是另外一回事,那么我们之前所讲的临场感将不复存在了。HTC/Valve 宣称 Vive 能够让你在15英尺见方的范围内有效的移动,而 Oculus CV1 的演示视频中所展示的范围大约只有 Vive 的三分之一。

Kickstarter 上的 Virtuix Omni 和 Cyberith Virtualizer 是这一问题的两个解决方案。它们的原理是一样的:你都是站在一个滑动的平台上,对于 Cyberith Virtualizer 是由一个摄像头来追踪你脚步的运动,而 Virtuix Omni 则需要你穿上一副植入运动传感器的鞋套来感知你的运动。这两种方案都不是你自然情况下的运动方式,不过一旦你熟悉了它们,这两种技术倒是都可以解决问题。

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另外一种办法是选择一处开放的空间,然后在那里体验虚拟现实。如果你是在一处足够大的区域使用头戴式显示器,你在虚拟环境中所体验到的运动,事实上可能只不过是哄骗你安全地在原地绕圈子而已。例如,HTC/Valve Vive 所设计的就是支持一块 15x15 英尺的空间。而让设备能感知到房间的具体边界也是可行的,追踪到你具体的物理位置,然后在虚拟环境中设计出一些虚拟的路障以避免你撞到边界。

在 Sulon Cortex 的例子中,整个房间在屋里上会预先被扫描进设备,从而虚拟环境中的墙也会被校准到实体墙的位置。只要地板上没有什么散落的物品,即使看不到周围的实体世界,我们在虚拟环境中也确实会是安全的。

以上就是目前我们所知道的关于虚拟现实交互技术的内容。本文取材自 Virtual Reality Basics 一文,接上一篇关于图像显示部分的内容,接下来我们会继续介绍最后一部分关于图形制作方面的技术。


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引用 岁月流逝难留丶 2016-6-10 19:37
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