虛擬現實技術是如何工作的？

人類想要逃避乏味的現實去往另外一個世界的愿望古已有之。我們會聽故事，讀小說，看電影，玩游戲，到了計算機技術興起的現在，就有了虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱 VR）。

最終極的虛擬現實技術或許像電影《黑客帝國》演繹的那樣，一根連接線插在腦后，我們就進入了另外一個世界。當然這只是科幻中的暢想，真實的虛擬現實技術究竟是怎樣的呢？

虛擬現實技術的概念早在上世紀60年代就提出了。人類通過視覺，聽覺，嗅覺，觸覺和味覺等幾種感官接受外界的信息。其中最重要的可能是視覺。

有研究認為人類接受的信息80%是來自于視覺，所以目前的虛擬現實技術也主要集中于如何讓人能夠“看到”虛擬世界。至于如何“觸摸”，如何“嗅聞”，如何“品嘗”虛擬現實，就是以后的工程師需要考慮的問題了。

想讓人看到虛擬世界，要做的不僅僅是將屏幕安裝在人的眼前。想讓人對屏幕上呈現的畫面產生“世界”的錯覺，需要做的事情大概有兩條：

第一，雙眼看到視角略有差別的畫面，這樣才會有立體感。

第二，用戶在轉動頭部的時候，畫面會跟隨著視野而改變。想要實現虛擬現實的效果，做到這兩條最重要，畫面是否非常逼真，反倒不是特別要緊。

做到第一條并不是很困難，我們只需要在雙眼各覆蓋一個屏幕，并且顯示不同的畫面就可以。要做到第二條，就不是那么容易了，頭顯得有能夠測量頭部運動的手段才行，而且這個手段還得足夠“快”，不然畫面的顯示跟頭部運動脫節，用戶就會感受到嚴重的暈眩。

現在大家看到的VR頭顯，基本上都是這樣：一個戴在眼睛前面的大方塊，里面是一塊屏幕，和眼睛前邊的兩個透鏡。為了測量頭部的運動，頭顯一般還會包括額外的手段。比如使用慣性傳感器，就像我們手機里的那種，來測量頭部的轉動；以及使用類似拍電影里的那種攝像頭的辦法跟蹤頭盔上的馬克點，來測量頭部的移動。

頭顯是目前虛擬現實最重要的硬件部分，但是它并不是虛擬現實的全部。

除了“看到”虛擬世界，我們還希望能夠“走進”這個虛擬世界，與虛擬顯示做交互。在虛擬世界中感知自己的身體是虛擬現實技術的另一個非常重要的組成部分。

基本上，所有人在第一次戴上虛擬現實頭顯之后的第一個動作就是抬起雙手試圖找到自己的手，這生動的說明了虛擬現實中，能夠感知到自己的身體和手是多么重要的環節。

為了解決這個問題，各種跟蹤人身體和手部運動的技術也都被發明出來。比方說使用慣性傳感器來跟蹤全身的運動；或者使用攝像頭來捕捉手部。屆時，戴上虛擬現實頭顯，穿上《三體》中所說的“V裝具”，玩家就可以漫步于虛擬世界之中，想想是不是很酷？

上面我們談到了“顯示”和“交互”，虛擬現實的第三個重要的環節，就是“內容”。我們有了能夠逼真的顯示虛擬世界的頭顯，有了能夠將我們的身體、我們的手帶入虛擬世界的動作捕捉系統，就需要內容能夠讓我們來體驗了。還好，現在的虛擬現實產業，已經有豐富的正在開發或者已經公布的內容可以讓我們體驗。

第一個大類就是轉播類。想像一下，你能夠在現場最前排的位置觀看NBA比賽，或者搖滾音樂會，那該有多酷？有了虛擬現實你就可以做到了。現在有很多公司就在開發相應的設備，拍攝出的視頻是360度球形視野的，戴上VR頭顯，觀眾就可以隨意看到周天任何一個角度的畫面。想想看，這樣身臨其境的感覺，跟去現場也差不多了。

第二大類就是游戲，這可能是虛擬現實目前最激動人心的部分。美國一家公司致力于將虛擬現實技術應用到主題公園中，打造非常逼真的虛擬現實體驗。想想也是，玩家端坐在家里玩虛擬現實游戲，只能在一個小范圍內活動，多沒勁；而在主題公園里，配合各種相應的設備機關，就可以化身為冒險者，在各種各樣的虛擬世界里冒險：比如陰森的地牢，或者末日后的廢墟，或者未來的空間站等等。很可能這才是未來虛擬現實游戲的最適合的形態。

那么我們可以坐在家里玩的虛擬現實游戲會有些啥呢？日本一家公司的虛擬現實游戲可以在虛擬現實中與美少女談戀愛！在夏日波光粼粼的海邊，面對一個美麗的金發少女，跟她坐在一起，似乎能真的感受到她柔順頭發上洗發水的清新氣味……可以想見，這款游戲必然是宅男們的心頭好。

第三個大類就是社交。讀過尼爾·斯蒂芬森《雪崩》的讀者都知道，在書中，未來的虛擬現實構成了一個巨大無比的世界，所有人都在其中與人交流。這個世界被稱之為“超元域”（Metaverse）。

如今“超元域”已然成為虛擬現實產業的術語，未來我們也可以在一個自己構建、自己定制規則的巨大世界中互相交流互動，一起娛樂、生活。在這個世界里我們的交流方式就不再是QQ、微信的文字，而是真切的面對面，這該有多棒！

如果說互聯網是建構在現實上的第一層虛擬空間，那么虛擬現實就是建構在互聯網上的第二層虛擬空間。未來，我們也可能遇到一個問題：習慣與虛擬現實構成的世界，可能不愿意再回到現實——當虛擬世界中已經能滿足你的所有需求，為什么還有回到現實中來呢？

到那時，你會選擇紅藥丸，還是藍藥丸？

（出品：科普中國；制作：北極星科普創客團隊；監制：中國科學院計算機網絡信息中心；“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。如需轉載請與移動端科普融合創作辦公室mobile@cnic.cn 聯系。）

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發表于 2015-09-23 00:00
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