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了解元宇宙—VR虚拟现实技术

VR界的搬砖小哥 | 元宇宙观察者 2022/01/18 16:15

如果说将元宇宙比作一个乐队的话,那么VR虚拟现实技术就好比是主唱,镜头前最多的是它,听到最多的是它,看到最多的还是它,我们看到所有与元宇宙相关的图片视频也好,电影作品也好,看起来都与VR虚拟现实技术的表述关联性最高,相似度也最高,那么,你真的了解虚拟现实技术吗?

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从仿真而来,到元宇宙中去

虚拟现实技术的发展最早要追溯到1929年,那一年Edward Link设计出用于训练飞行员的模拟器,那时候的模拟器还只是有声音的模拟和动态图形的模拟,自此以后,虚拟现实技术的“潘多拉魔盒”被彻底打开,人们开始注意并且投入到这项仿真技术的研究与应用中。1956年,Morton Heilig开发出多通道仿真体验系统,这套系统是一套“庞大的VR眼镜”,在视觉方面,它有固定的3D屏幕,可以显示3D的图像;在声音方面,它具有3D立体声声道的音效,可以更好的模拟环境的声音;在触觉方面,它具有可以震动的座位,还有风扇等给予人触觉反馈的设备;包括在味觉方面制造了味觉生成器,可以制造模拟一些气味。我们可能会联想到现代的4D/5D电影,好像也是这样的配置,从理论上来说,这都是从仿真出发,给人们模拟一种环境,一个事件来达成某种目的,可类似正在现代盛行的4D/5D电影设备的这套仿真系统,在上世纪五十年代竟然就被研究出来了。

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Heilig 的sensorama

虽然仿真系统的3D模拟器制作完成,但作为上世纪五十年代,彩色电影尚未完全普及,3D视频内容更是从何处寻?Heilig作为好莱坞的专业摄影师,更是一位创造者,他亲自发明了3D 摄影机和投影仪,从而拍摄并制作了许多3D影片,拼上了他的仿真系统3D模拟器的最后一块拼图。

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Morton Heilig

不过当时由于年代与人们认知的局限性等多种客观因素,并没有人为这个充满着无穷无尽潜力的科技下赌注,无论是硬件设备还是制作3D视频内容,成本都非常高,最终Sensorama也因为无法继续投入而在继续开发和商业化的道路上被迫暂停。

科技的聚光灯于1968年落在了Ivan Sutherland头上。

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Ivan Sutherland 与他的VR头显设备

这是公认的世界第一台VR头显设备,它依然逃脱不了硬件设备第一代“笨重“的特点,甚至需要一个机械手臂吊着设备在佩戴者的正上方。不过有着技术突破性的是,这台VR设备通过机械轴,初步实现了姿态检测功能,当佩戴者头部进行转动时,屏幕会给与佩戴者不同的画面显示,这一进步是虚拟现实技术上里程碑式的技术革新。

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虚拟现实技术迅速被NASA等多个知名机构与院校注意,并大力投资进行研发与研究,VR技术的潜力被越来越认可,于是七八十年代,在硬件设备不断升级与3D内容不断迭代的背景下,VR虚拟现实技术有了飞速的发展,例如NASA AMES研究中心开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器,包括非常多的有关VR虚拟现实技术的科幻电影也相继而出。一时间百花齐放,VR技术的未来显得格外广阔明亮。

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电影:电子世界争霸战 Tron (1982)

到了90年代也掀起了一阵对于虚拟技术追捧的热潮,许多的科技公司与游戏公司在虚拟现实技术上投资研发,做出了一些相对成型的产品和游戏,以其高科技的特性与奇特的玩法立刻吸引了许多人的眼球,不过许多产品却只是卖叫并不卖座。因为在当时3D渲染技术与动态检测技术并不完善的背景下,VR虚拟现实的内容实在是很“寒掺“,不仅画质颗粒感严重,分辨率低,操控交互也不是非常舒适,所以这股浪潮并没有拍打起特别大的水花。

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1995年任天堂的VR设备Virtual Boy

这款Virtual Boy可以说是90年代最具代表性的VR设备,虽然上市仅仅5个月就被下架,并且体验感反馈并不好,而且对于任天堂来说是一款失败的产品,但作为在虚拟现实技术的大胆尝试,对行业发展起到了举足轻重的作用。

浪潮的褪去并不意味着技术停滞发展,虚拟现实技术在无数技术研究者手中正经历着进化与蜕变。

一浪更比一浪高,2012年Oculus Rift登陆Kickstarter众筹网站。筹资近250万美元,首轮融资达1600万美元。立刻将大众的目光又拉回到了虚拟现实技术上,人们突然发现,那个多年前备受关注又被淡忘的虚拟现实回来了,并且随着Oculus VR产品的迭代升级以及2014年3月26日,Facebook宣布将以约20亿美元的总价收购沉浸式虚拟现实技术公司Oculus VR的新闻被爆出,虚拟现实技术商业化的火苗被彻底点燃。

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早期Oculus设备模型

随着2015年 HTC VIVE在MWC2015上正式发布与索尼PSVR的对外公布,VR虚拟现实的元年开始,它的舞台真正拉开帷幕。

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H TC VIVE

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索尼PSVR

2016年以来,虚拟现实技术广泛用于各行各业,例如教育,医疗,交通,汽车,娱乐等等。无论是离我们生活比较近的VR看房,VR看车或是又同学体验过的VR游戏或VR课堂,我们都可以感受到虚拟现实技术给我们生活带来的变化与便利,或者说它已经融入到了我们的生活当中。

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伴随着2021年元宇宙的出现,虚拟现实技术再次成为人们讨论的焦点。人们惊奇的发现,虚拟现实竟然是构建未来元宇宙世界不可或缺的技术组件。虚拟现实的技术将成为元宇宙载体的一部分,虚拟现实设备将成为进入元宇宙的一个窗口。点成线,线成面,面成体,虚拟现实技术将同其他科技技术一起,为我们打造一个丰富立体的元宇宙世界。

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虚拟现实的技术网络

其实虚拟现实技术也是一项融合了多种技术,蕴含了多种学科知识的集合技术,因为它的核心是仿真技术,其中声音仿真就要用到声音技术,视觉仿真就要用到显示与图像技术,环境仿真就要用到计算机三维渲染技术,动作交互就要用到动作捕捉与反馈技术等等,所以说多种技术的共同发展才能推进虚拟现实技术的进步与突破。

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虚拟现实环境中与真实世界互动的方法与虚拟现实系统与流程

其中三维渲染技术可以为虚拟世界提供任何我们想要的环境。现在我们看到的科幻大片,例如复仇者联盟,流浪地球等,这些电影中的环境都是通过计算机三维建模渲染技术制作出来的图像资料,让我们看起来仿佛置身其中,像真实场景一般。所以在虚拟现实的世界中,只要是我们想象到的人,物,环境,都可以塑造出来,打破空间的次元,让我们置身于任何一个模拟环境中。

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游戏《魔兽世界》中场景建模

完美的虚拟现实技术体验理应是能与我们所有的感觉同步,例如我们置身在北极的虚拟环境中,能够感受到寒冷,当手触碰到雪地手指会感到冰冷,从水中钓起鱼能闻到鱼腥味等。这就要求VR设备能够模拟我们的听觉,触觉,味觉,嗅觉,触觉,力觉等等。例如声音技术就可以让我们在虚拟环境中判断出声源的方向,远近等。模仿左右耳不同的位置的录音可以创造出3D立体声,通过声音的相位差和强度来确定声音的来源,从而达到听觉仿真与同步。

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进行声学环境仿真的实验研究

假如我们在虚拟现实的世界中模拟开车,我们可以通过视觉技术看到我们置身于赛车的真实环境内,可以听到引擎的轰鸣声,现在就差手握方向盘开动了。这时候就需要动作捕捉和反馈技术的支撑。如果我们看过一些科幻电影的拍摄花絮就会发现,他们身体上往往安装佩戴者一些点状物的道具,其实这些道具就是用作动作捕捉和复制,后期再做到电影虚拟人物上。

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《猩球崛起》系列在面部表情捕捉

同样作为VR设备的虚拟手套,为虚拟现实系统提供了一种全新的交互手段,它利用磁定位传感器来精确地定位出手在三维空间中的位置。这种结合手指弯曲度测试和空间定位测试的数据手套被称为“真实手套”,可以为用户提供一种非常真实自然的三维交互手段。

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以上就是关于虚拟现实技术方面的内容介绍,下期我们将阐述目前虚拟现实的应用对我们生活的影响以及对于未来元宇宙的建设还待解决的问题。

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