VR-AR——一些基本信息整理和个人理解

技术虚拟现实
AR, VR

前言

不知从何时起VR、AR以及MR这些曾经只能在电影或科普书上才能找到的概念开始出现在大众人们的视线里，让人不禁感慨科技发展之迅速。从比较早期的Google Glass，到Cardboard、GrearVR，再到Oculus Rift、HTC Vive，我看到的是一些伟大的科技公司在VR、AR领域的不断的尝试与创新，一步一步努力将那些实验中的玩具带到普通消费者面前。受益于那些先驱者的努力，如今的VR、AR已经从当初的书本概念的变成的了实际的产业。

虚拟科技

前一段时间火遍全球的手机AR游戏pokemon go，如下图所示，虽然中国大陆玩不了，不过我也由此开始关注起了这个看起来充满科技感和未来感的领域。

AR游戏Pokemon Go

从我了解到的情况来看，目前由于国产手机盒子类的产品已经烂大街，但是实际体验比最简易的Cardboard提高却不大，而另一方面体验好的的HTC Vive和Oculus Rift价格巨贵，而且还需要高性能的PC机的支持。这让失去了刚开始时的新鲜感和神秘感的VR和AR产业的发展似乎走到了一个拐点，但是不可否认的是当前的VR和AR还仅仅处于初级阶段，不管是硬件上还是算法上还是内容应用上，它还有十分广阔的空间等待挖掘。

概念说明

对这些新概念的描叙网上也没有一个同一固定的说法，但是大致表达的意思是一致的。我这里综合一些资料来说明：

VR（虚拟现实）: 即Virtual Reality。VR技术就是借助计算机技术以及其他硬件传感设备，模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供对使用者对视觉、听觉、触觉等感官模拟。

AR(增强现实)：即Augmented Reality，AR技术就是通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界中，真实的环境和虚拟实时的叠加到同一个画面或空间同时存在。

随着微软推出Hololens，MR的感念也出现了。

MR(混合现实)：即Mixed Reality，MR是混合VR和AR的结合，指合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境，虚拟的物体能够对现实的环境进行识别和交互。就目前MR产品来看，它和AR比较接近，从概念上来讲MR和AR最大的区别就是与虚拟和现实的交互，即比较深层次的融合。

当前VR/AR设备分类和简介

从当前VR/AR的设备来看，主要可分为三类：

  1. 移动端设备

    移动端的VR设备，由智能手机加上带有透凸镜夹手机的盒子组成，以Google Cardboard和三星GearVR为代表。而移动端AR则比较简单，直接用智能手机就可以实现。下图为Google Cardboard的展示图。

    • 优点： 组装简单、成本低廉
    • 缺点： 体验差

    目前国内此类VR厂商众多，主要有暴风墨镜、焰火工坊等。

    Google Cardboard

  2. 主机类设备

    主机类主要是VR设备，主要由头戴显示设备、PC主机（或游戏主机）、以及其他传感设备组成。它能够借助PC主机强大的计算能力和图像处理能力实现更加逼真的虚拟环境。代表产品主要是 Oculus Rift和HTC ViVe，下图为HTC Vive的展示图。

    • 优点： 体验好、虚拟环境逼真
    • 缺点： 价格昂贵、携带不便、操纵较繁琐

    目前国内正在研发的VR厂商有乐相科技、蚁视科技、3Glasses等。

    HTC Vive

  3. 一体式设备

    一体式设备是指需要其他设备来支持或组装，而自己就是一台独立VR或AR设备，典型的有Google Glass和微软的Hololens。由于好的VR设备需要强大的计算能力，而目前的一体式设备计算能力还不能达到主机的性能，所以当前市面上的一体式设备都为AR或者MR。下图为Hololens的展示图。

    • 优点： 便携性好、体验好
    • 缺点： 性能较弱，导致不能处理太复杂的场景

    Macrosoft Hololens

技术简介

以下会从当前比较典型的VR/AR设备上，简单的了解它们实现VR/AR的关键技术或手段。另外由于一体式设备目前真正的消费产品还极少，微软的Hololens最近发给用户的也只是开发者版本，所以资料比较少，这里就不介绍了。

  1. 移动端VR技术

    移动端VR技术主要是Google Cardboard和三星GearVR。我们反复的提及Google Cardboard，是因为它确实对VR整个产业的推广都起了非常的大的作用。它的作用是两方面：一是它向其他同行示范了即使用最简单的原料、最低廉的成本也科技做成一套成型的VR设备；二是Cardboard SDK为其他开发者针对这个简单的设备提供了完整的开发坏境。而这些最低廉的设备和简单的方案对将VR推向普通消费者的有很大的促进作用。

    而相比Google Cardboard三星GearVR在硬件设备上更加高端，它使用的Oculus公司的方案，也比CardBoard方案有更低的延迟、更好丰富的体感控制，所以也有更好的体验，而后Google推出的DayDream规范也是借助了GearVR的很多研究成果的。

    移动端VR发展的基础就是智能手机，由于搭载了多种传感器，这就使得VR所需要的地址、方位、运动等信息都能够通过智能手机来收集。因为虚拟现实视觉体验是最重要的一部分，所以以下主要从视觉角度介绍VR方案中使用技术。

    1. 双画面显示加凸透镜

      • 为了解决当屏幕靠的与眼睛足够近时，眼睛无法聚焦
      • 为了让人产生深度的感觉

      当前的VR方案基本上都是一个虚拟的图像，用算法分成两个图像分布给人的左右眼来看，同时两个图像的画面是有些小区别的，这样来达到身临其境的效果。

      双画面显示

    2. 变换画面

      由于凸透镜对画面有变形，边沿还会有色散，所以使用凸透镜的方案大多都会对显示的图像进行反变形，对边沿进行反色彩。

      变换后的双画面显示

    3. 固定盒子

      盒子的作用是：

      • 固定手机、凸镜和人体头部
      • 遮住不必要的光线干扰

    目前移动端VR的存在的问题有：

    • 无法精确定位：手机上民用级别的GPS精度只有2-3m
    • 无法精确测量高度：现在手机大多用的气压测量高度误差太大
    • 无法捕捉除头以外的动作
    • 分辨率太低

  2. 主机类VR技术

    主机类的VR，它的头戴显示设备与移动端VR解决方案比较类似，目前几乎都是双画面显示，它最大的优势就是能够借助PC机或者游戏主机强大的计算和图像处理能力。相对移动端VR它解决了如下问题：

    • 高分辨率屏幕显示：Oculus Rift采用了两块1200x1080的OLED屏幕
    • 低延迟画面流程：Oculus Rift为90Hz的刷新率
    • 局部空间的精确空间定位
    • 身体的动作捕捉

    从上面可以看到，主机类的VR技术主要是 视觉和 人机交互这两方面带来的用户体验的提升。由于显示的方法与移动VR技术类似，所以以下讲解主要集中在人机交互上，而人机交互体验的提升主要依靠是空间的精确定位和动作的捕捉，因此下面的内容也主要集中在这两方面。

    1. Ocuclus Rift

      Oculus Rift的定位是依靠两个部件：

      • 头带设备上的多个红外发射器
      • 两个摆在对角的100Hz的高速摄像机

      用高速摄像机拍摄的图像只需要红外光线，滤除其他可见光，根据检测到头盔上发出红外的位置来实现空间定位和头部运动。

    2. HTC Vive

      HTC Vive采用的是Lighthouse激光定位技术，同样和Rift一样同样是信号收发设备分离设计。在头戴设备上为多个激光接收器（70多个），在两边放的不是摄像机二是激光发射机。根据不同位置接收器接收发射信号的时间长短，来计算定位空间位置和运动。相比Rift它的延迟小、计算量低，定位更加精准、适用性更强。

      下图为HTC Vive的定位示意图：

      HTC Vive的定位系统

参考资料

以上内容主要为我最近在网上查找信息的整理以及个人理解的笔记，主要参考有：

  1. 《中国VR行业研究报告：现状、机会、发展趋势——中投研究院》
  2. 视屏《真实的梦境——VR 虚拟现实产品巡礼》
  3. 知乎多个VR/AR相关回答
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