虛擬現實 (VR) 技術似乎只出現了短短幾年。

然而，我們今天所知道的 VR 系統和頭顯已經開發了幾十年。 當今 VR 系統的最早起源實際上可以追溯到 1957 年，當時 Martin Heilig 為頭戴式立體電視設備申請了專利。

從那以後的幾年裡，虛擬現實技術一直在緩慢而穩定地發展。 起初，開發人員缺乏計算能力來打造真正的沉浸式 VR 體驗。 然後，一旦他們擁有了它，就開始為普通消費者提供便攜和負擔得起的產品。

這就是我們今天所處的位置。 HTC、Oculus、Valve 和 Sony 等公司現在提供商業上可行的 VR 硬件，這些硬件正在繼續突飛猛進地改進。 出於這個原因，世界各地的人們現在都熟悉 VR 並了解它是什麼。 然而，大多數人並沒有牢牢掌握這項技術的細節。

虛擬現實技術指南

為了解決這個問題，這裡有一個虛擬現實技術的基本技術指南。 您將了解它的工作原理、使其工作所需的條件以及該技術的下一步發展方向。 讓我們潛入水中。

虛擬現實的科學基礎

就其核心而言，VR 技術只有一個目的：模擬足夠逼真的設置和環境，以欺騙人腦，讓他們接受它們為現實。 從科學的角度來看，這一切都始於了解我們的大腦如何解釋我們所看到的事物，從而形成我們周圍世界的心理圖景。

無需過多詳細說明，最簡單的解釋是，我們對現實的感知是基於我們以經驗為指導制定的規則。 例如，當我們看到天空時，它會告訴我們哪個方向是“向上”。 當我們看到我們可以識別的物體時，我們可以使用它們相對於彼此的大小來判斷距離。 我們還可以通過拾取我們周圍物體投射的陰影來檢測光源。

VR 設計師可以使用這些常規規則來創建符合我們對現實的心理預期的虛擬環境。 當他們這樣做時，結果是我們將其解釋為“真實”的無縫體驗。

虛擬現實的技術基礎

今天的商業 VR 系統都在競爭，以確定哪些可以在虛擬環境中提供最佳的用戶體驗。 事實上，它們都無法提供完全身臨其境的體驗，原因很簡單：技術還沒有趕上人類視覺的能力。 以下是當今 VR 頭戴式設備的位置以及它們試圖到達的位置的細分。

視野

從技術的角度來看，最大的障礙之一是人類能夠獲得比當今耳機所能提供的更廣泛的視野 (FOV)。 普通人可以在他們的頭部周圍以大約 200 到 220 度的弧度看到周圍的環境。 在我們左右眼的視線重疊的地方，有一個大約 114 度的弧度，我們可以在 3D 中看到。

今天的頭顯將注意力集中在 114 度 3D 空間上，以提供虛擬環境。 然而，沒有任何頭顯能夠容納普通人的完整 FOV。 然而，現在，當今的 VR 硬件設計人員的目標是創建允許 180 度 FOV 的設備，這被認為是高性能 VR 模擬的理想選擇。

幀率

在 VR 世界中，可能沒有比如何處理虛擬環境的幀速率更大的分歧話題了。 這是因為對於人類視覺在這方面的敏感程度沒有真正的科學共識。 從物理的角度來看，我們知道人眼可以看到相當於每秒 1000 幀 (FPS) 的速度。 然而，人腦從來沒有通過視神經接收到這樣的細節。 有研究表明，人類可以識別高達 150 FPS 的幀速率，但除此之外，信息在傳輸到大腦的過程中會丟失。

對於您在影院中看到的電影，幀速率為 24 FPS。 然而，這並不是為了模擬現實而設計的。 對於 VR 應用程序，大多數開發人員發現低於 60 FPS 的任何東西都會導致用戶迷失方向、頭痛和噁心。 出於這個原因，大多數開發者的目標是獲得大約 90 FPS 的 VR 內容“最佳點”，而有些開發者（如索尼）在使用過程中的任何時間點低於 60 FPS 時都不會證明軟件可以在他們的設備上運行。 不過，展望未來，大多數 VR 硬件開發人員將開始推動 120 FPS 或更高的幀速率，因為這將為大多數應用程序提供更逼真的體驗。

聲音特效

VR 的另一個關鍵技術方面是設計師使用音效向用戶傳達 3D 空間感的方式。 今天，尖端的 VR 依靠一種稱為空間音頻的技術來創建與 VR 創建的視覺效果相匹配的模擬音頻景觀。

任何曾經坐在精心設計的音樂廳裡的人都應該熟悉我們聽到的聲音是如何根據我們在空間中所處的位置而變化的，甚至是我們轉頭的方式。 空間音頻是一種技術，VR 設計師可以通過該技術通過一組模仿這種精確感覺的耳機產生雙耳（立體聲）音頻。

當前有多種實現，但它們都有一些相似的特徵，包括：

同樣重要的是要記住，對於 VR 耳機，此處描述的音頻效果必須實時計算以考慮用戶的移動。 說到這一點，今天的 VR 硬件還只是剛剛起步。

頭部和位置跟踪

VR 的真正魔力並不來自視覺或聲音的說服力（儘管這些是關鍵的基礎元素），它來自於用戶可以在虛擬空間中移動以適應他們的位置這一事實。 這就是將 VR 耳機與簡單的視頻觀看眼鏡區分開來的原因。

目前，用於 VR 應用的頭部和位置跟踪有兩種類型——以自由度測量——3DoF 和 6DoF。 三星 Gear VR、Google 的 Daydream View 和 Oculus Go 等移動 VR 耳機使用 3DoF，這意味著它們只能進行旋轉跟踪。 他們知道您何時左右轉動頭部，向上或向下看，或將頭向一側或另一側傾斜。 但是，如果你移動你的整個身體，他們就不會接受它。

相比之下，使用 6DoF 的耳機可以跟踪佩戴者在房間內的位置，以及他們頭部指向的方向。 這意味著 6DoF 頭顯可以允許在 3D 空間中完全自主移動，這是一種更具說服力的 VR 體驗。 它的完成方式因平台而異，但主要方法往往包括基於攝像頭的跟踪以及紅外燈信標。

虛擬現實的發展方向

與當今的 VR 技術一樣先進，它在未來幾年肯定會變得更好。 隨著發展的繼續，我們應該開始看到具有增強的、更逼真的 FOV 和更好的 3D 音頻匹配的硬件。 僅這一點就讓 VR 的近期未來令人興奮。

我們也即將看到對 VR 的新改進，這些改進將使體驗比您從今天的硬件中獲得的體驗要好得多。 其中之一是使用像 HaptX 手套這樣的觸覺反饋設備，它為用戶在 VR 中與之交互的對象提供逼真的觸感。 另一種是稱為中心點渲染的圖形技術，它利用人眼有限的焦點僅在我們的眼睛聚焦的地方提供超高清圖像，從而降低創建圖像所需的計算能力。

不過，更重要的是可能會使用 VR 的新方式。 教育領域機器學習技術的並行發展將使沉浸式遠程學習首次成為現實。 外科醫生將受益於先進的 VR 培訓，以改善患者的治療效果。 那些需要治療創傷後應激障礙和相關疾病的人最終將有辦法治愈。

這裡的底線是，VR 技術才剛剛開始在各個領域實現其潛力。 隨著技術的發展，才華橫溢的軟件開發人員、研究人員和商業領袖夢寐以求的應用程序也會隨之發展。 從這個角度來看，可以公平地說，我們更接近虛擬現實故事的開端，而不是結論——而且未來還會有更多驚人的發展。

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