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虚拟现实技术如何实现
作者：魏岳江
《光明日报》（ 日&10版）
美国洛杉矶会展中心，游戏玩家正在体验虚拟现实（VR）设备。光明图片/视觉中国
&&&&伴随着阿里巴巴成立虚拟现实技术（VR）实验室，暴风TV发布首款VR电视，华为公布其第一代VR眼镜产品等，VR产业也拔地而起。可以预见，不久的将来，移动互联网、大数据等信息技术的广泛应用，将推动VR技术进一步发展。那么所谓的虚拟现实技术，究竟是如何实现的呢？
1.软件、硬件综合应用的前沿学科
&&&&虚拟现实技术（VR）是创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统技术。也就是说，VR利用计算机生成一种模拟环境，利用多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。截至目前，世界上还没有关于它的普遍适用的定义，但一般可以认为：它利用各种人机交互技术，为人类在现实空间之外创造了另一个尽可能真实的、互动的、身临其境的虚幻世界，使人类可以漫游其中，体验最真实的虚拟空间，不受任何限制地在自己的梦想里散步。
&&&&VR已经广泛应用于新媒体、航天、军事、工程等各种尖端科技领域中，并将作为一种先进的技术手段更为广泛地应用于我们的日常生活。由于虚拟现实在人机交互中使用的显示器大多是头盔式增强型随身看显示系统，所以，他是随身看显示系统最有前景的应用领域之一。用户只需戴上虚拟现实装备，如头盔、眼镜等，就可以身临其境地感受到设备中设置好的各种场景。
&&&&VR系统一般包括用户控制系统，如人体运动监测、控制杆、键盘、鼠标等控制设备和视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等人类感觉方面的仿真反馈系统、处理系统，以及人类感知的信息显示系统，即显示器、音响、三维座椅等。其中，视觉、听觉的控制和仿真是目前VR较为主要的发展方向，而头盔式增强型随身看显示系统则是用户使用的主要产品形式。
2.在计算机中预先构造虚拟空间
&&&&VR是依赖于大量的计算机软件技术如人工智能、模式识别、图形学、底层接口等技术和新型显示技术、场传感器技术、力量反馈系统、无线、有线通信等技术综合应用的一门交叉学科。从本质上讲，VR是对现实世界的再现和梦境的实现；从技术角度讲，它是软件、硬件领域的前沿技术综合应用和面向对象的综合技术开发。
&&&&VR可以使人们在头戴一个头盔式增强型随身看系统的情况下，身临其境体验一次梦幻似的虚拟现实。其实，这些虚拟现实场景，就是使用复杂的软件技术，预先在计算机中构造一个真正的虚拟空间，空间中的每一个点都具有Ｘ、Ｙ、Ｚ三个维度的坐标、色彩、法线、逻辑关系等众多维度的信息，计算机再通过传感器、操纵杆、鼠标等用户输入设备确定虚拟场景中人的位置，最后通过计算机将画面再现到用户眼前，从而创造出虚拟空间。
&&&&这样的一系列工作如果能够连贯起来，并且整个系统一个周期的运算时间小于人的视觉暂留时间，用户就会在头戴式增强型随身看显示系统的虚像显示屏幕上拥有在虚拟现实世界中漫游的感觉了。VR就是创造一个虚拟的环境，让你觉得这就是现实。通过这个虚构的现实来娱乐你、吸引你。
3.MR——突破虚拟与现实的界限
&&&&除了VR技术外，还有增强现实技术，即AR，如今全世界只有20余家权威的公司在进行研究，谷歌的技术相对成熟，其目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。这种技术最早在1990年提出，随着随身电子产品运算能力的提升，预期其用途将会越来越广。
&&&&从本质上来说，AR是数字媒体和真实世界之间的交互。AR的成像理念与VR沉浸式的成像体验打造出了一种以全息投影现实为主的混合虚拟现实技术，即MR。在今年6月份举行的微软开发者峰会上，微软首席执行官萨提亚·纳德拉向人们强调了对其混合虚拟现实技术设备——Hololens的正确“打开”方式，这既不是VR头盔，也不是AR眼镜，这种混合虚拟现实设备是将计算机生成的3D虚拟物体全息投射到现实空间中，Hololens的佩戴者可以在现实空间中与3D虚拟动画进行交互式操作，并触发相应功能。这类MR设备的成像原理并不同于沉浸式的VR设备，它是将虚拟画面投射到真实空间中，但所投射的全息3D图像，其成像效果突破了虚拟与现实世界的界限。
虚拟现实技术的研究和应用
&&&&美国国家航空航天局对这一技术研究的重点是对空间站操纵的实时仿真，他们大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。如对哈勃太空望远镜的仿真和“虚拟行星探索”的试验计划，这一项目能使“虚拟探索者”利用虚拟环境来考察遥远的行星，第一个目标是火星。
&&&&美国北卡罗来纳大学是进行虚拟现实技术研究最早、最著名的大学。他们的主要研究有分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。在显示技术上，该所大学开发了一个帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示的并行处理系统，叫作像素飞机。
&&&&麻省理工学院原先就是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是虚拟现实技术的基础，1985年成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。
&&&&华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室在新概念的研究中起着领先作用，同时也在进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究。他们将虚拟现实技术研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。例如，波音公司的V22运输机就是先在实验室中造出虚拟机后再投入生产的。
&&&&伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中，支持远程协作的分布式虚拟现实技术系统。不同国家、不同地区的工程师们可以通过计算机网络实时协作进行设计。在设计车辆的过程中，各种部件都可以共享一个虚拟环境，并且可以查看对方任何一个位置的视频传递和相应的定位方向。在系统中采用了虚拟原型，从而减少了设计图像和新产品进入市场的时间，这样产品在生产之前就可以估算和测试，并且大大地提高了产品质量。
&&&&乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。在一个分布交互式仿真系统中模拟真实世界复杂流体的物理特性，包括模拟正在穿过水面行驶的船、搅拌液体、混合不同颜色的液体、下雨对地形的影响等特性。
&&&&（魏岳江）
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光明网版权所有一文了解美国四大科技巨头的虚拟现实布局
　　面对VR\AR这一革命性的技术，世界上最牛的科技公司使出了怎样的招数？本文中，我们一起来看看谷歌、微软、苹果、Facebook四大科技巨头在VR\AR方面的部署。　　
　　谷歌：DayDream并不是白日梦，而是称霸移动 VR 市场的武器
　　今年5月，在谷歌I/O全球开发者大会上，谷歌VR负责人Clay Bavor向世人宣布，谷歌将推出VR平台DayDream。基于Android N系统的DayDream平台分为VR模式、头显、控制器标准方案和VR应用商店。
　　这个1月份才担任谷歌VR部门主管的年轻人表示，DayDream优化了VR的算法后，能够有效地降低延迟、减少眩晕感，它能够支持智能手机，并可以将性能表现降低到20ms以下。而此前，刚刚过去的4月里，在最新版本的AndroidN中，就可以通过设置看到支持该VR功能的应用。谷歌的布局意图非常明显：抢下移动端VR市场的大旗。
　　DayDream平台的出现，给原本不被重视的移动端市场带来了重大利好。据了解，谷歌将向顶级硬件开发商们公布DayDream兼容手机的详细参数和相应的头戴设备的参数，希望未来主流的硬件开发商们的产品都能无障碍地接入DayDream平台，就如同现在手机厂商开发的手机大多都是运行在安卓系统上，这样即使谷歌不做VR硬件，也能称霸移动VR市场。
　　谷歌对增强现实的热衷由来已久，早在2012年，谷歌就曾开发了一款智能眼镜，也就是著名的Googleglass。虽然Googleglass的推出曾经令无数科技迷激动，被认为是&连接未来&的设备，甚至引发了全球可穿戴设备的热潮，但是由于其真正进入市场过于缓慢、价格昂贵，以及隐私、安全等种种问题，这款便携眼镜并没有如预想的那样得到追捧，并且在2015年1月开始不再接受订单，被外界解读为彻底失败的项目。即便如此，谷歌仍然坚持布局移动端VR的路线，它认为未来VR繁荣的关键就在于智能手机，而不是台式机、游戏主机为核心的头戴设备。
　　Clay Bavor曾是 Google Cardboard项目的负责人。在2014年的I/O大会上，每位开发者都领到了一个黄色的再生纸板盒子，只需要将手机塞进这个简陋的纸盒子，就变成了一个3D眼镜。在手机上安装相应的应用后，就是一台简易的VR设备，这就是GoogleCardboard：价格低廉、便于携带，虽然沉浸度不高，但容易被大众接受，此类产品后来成为了创业首选开发产品，如今国内但凡想在VR市场分一杯羹的创业公司大多都先开发VR眼镜，比起PC端VR装备，GoogleCardboard的市场教育作用功不可没。
　　在今年的Google IO大会上，Clay Bavor表示Cardboard应用程序的下载量已经突破5000万次，这表明谷歌的坚持不是盲目的，虽然Oculus和HTC的高端VR设备沉浸感更高，但其高昂的价格和所需要的高性能计算机仍然是大众普及过程中的障碍。
　　Clay Bavor在一次采访中表示：&我们认识到了&移动&的重要性。人们不需要去某个地方才能体验VR，可以随时把VR设备带在身上。大家都有智能手机，以为智能手机只能打电话，浏览网页，收发邮件，但是VR可以把手机完全改变&&它将变成口袋里的移动影院、能带人们穿越的&传送机&、随身携带的游戏街机。所以我们想发扬GoogleCardboard做对的地方&&移动，舒适，可接近性和低成本。&而Daydream的兼容性将会使得这种移动性和低成本更上一层楼，将会有无数类似于GoogleCardboard产品无门槛地接入daydream平台，谷歌的大众化VR就在不远的将来。
　　微软：&跳步&的背后着巨大野心
　　曾经雄霸天下的科技大佬微软，近些年来的风头逐渐被硅谷新秀们盖过。日，微软发布了本财年第三财季财报。报告显示，微软第三财季营收为205.31亿美元，比去年同期的217.29亿美元下滑6%；净利润为37.56亿美元，比去年同期的49.85亿美元下滑25%。
　　这几年微软交出的成绩单的确没什么亮点，除了Surface产品线、云计算和服务器等业务表现尚可外，其它业务不尽如人意：智能手机操作系统WindowsPhone被iPhone拉下神坛后，时至今日已无人问津；游戏业务Xbox销量远不如索尼的PS4，玩家数量的落后已经很难与索尼在游戏内容上抗衡；而江山稳固的Windows操作系统虽然一直进行更新，但不断被人诟病曾经的互联网霸主迫切需要明星产品恢复往日辉煌。
　　日，一部分开发者收到来自微软的邀请，可以到专属的私密商店购买微软的HoloLens产品，这是第四批得到购买邀请的开发者，部分幸运者还将被邀请到波士顿、旧金山、洛杉矶或者纽约去参加HoloLens开发者会议。
　　HoloLens这款售价3000美元的设备是微软在2015年1月发布的全息眼镜科技产品，是一款MR产品。
　　虽然HoloLens不能像《星际迷航》那样生成每个人都可见的3D世界，它只能让佩戴者看见某些计算机生成的效果叠加于现实世界之上的影像，但栩栩如生的效果仍然令无数人惊叹。
　　在宣传片里，佩戴HoloLens的人眼前展现出投射在空中的新闻信息流、视频和天气，并且可以进行多人交互游戏、辅助3D建模等等，虚拟投射和现实环境结合起来，真可谓是&真亦假时假亦真&。
　　2016年被誉为VR元年，整个产业还处于初期的发展阶段，而微软却在2015年已经开发这款MR产品，不禁让人感觉：微软直接越过VR ，要&跳步&去占领&MR&市场吗？其实微软早已进行了VR布局，而且野心不小，企图再造windows系統独霸天下的辉煌。
　　HoloLens这款头显运行在名为Windows Holographic的平台上，如果将HoloLens比喻成PC机，那么Windows Holographic平台就是操作系统，微软就是想用这个平台，再次独霸天下。
　　基于Windows 10的Windows Holographic平台能够提供全息影像框架、交互模型、感知API和XboxLive服务，目前在Windows商店里能够找到数百个全息UWP应用，可见其正在规模性地扩展。
　　在2016年台北电脑展上，微软宣布要开放这个神秘的Holographic平台，其他厂商的VR、AR以及MR设备都来使用Windows Holographic平台，欲把Windows Holographic平台打造成类似PC行业中Windows一样的地位。
　　就像谷歌企图用DayDream平台称霸移动VR市场一样，微软想利用VR设备的操作系统占领PC VR市场，而无需去考虑硬件的开发。此举一出，&司马昭之心路人皆知&，微软的野心彻底暴露了。
　　目前高端VR产品Vive和Rift就是在Windows系统上运行的，假以时日市场上主流PC VR产品若都能接入Windows，对消费者来说，也不能算是件坏事，虽然微软又垄断了市场，但好在用户不用更换电脑系统，再加上有苹果等竞争对手的虎视眈眈，料想微软只能提供更好的软件服务和兼容性。
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