编辑导语:随着VR技术的逐渐成熟，VR开始渗透到人们的生活中。如果问你什么是VR，大概大部分人都会回答“虚拟现实”。什么是虚拟现实？它能用来做什么？我们一起来看看吧。
VR(虚拟现实)作为一个概念提出已经很久了，在各种科幻作品中都可以看到它的身影。但是作为一个真正的应用，可以说真正进入人们的日常生活还是一个时髦的新事物。
近年来，VR(虚拟现实)技术逐渐成熟，应用场景日益丰富，开始渗透到人们生活的方方面面。但是你真的了解虚拟现实吗？它是什么，能用来做什么。
本期我们先试着从定义和原理方面简单介绍一下虚拟现实。
一、虚拟现实的定义
如果周围的人问你什么是VR，大概大部分人都会回答“虚拟现实”，因为VR的全称是虚拟现实。
什么是虚拟现实？通俗点说，就是通过各种技术，在一台电脑里创造一个虚拟世界。用户可以沉浸其中，用视觉、听觉、触觉、嗅觉等感官感知虚拟世界，并与其中的场景、物体甚至虚拟角色进行互动。
这是我能想到的比较完整的定义，因为它基本陈述了虚拟现实的三个重要特征:
1.沉浸
首先，这个特性意味着用户带上VR头显，遮住视线，看不到真实世界，只能看到计算机生成的图像。其次，VR头戴凸透镜放大了人眼看到的实时图像范围，产生90~120度的视野。这个视野和三通道环屏投影系统产生的视野差不多，人眼***扰的可能性大大降低。
再次，左右眼在头显中每时每刻看到不同的图像，产生强烈的立体感。
此外，当一个人转头时，头显上的陀螺仪可以通知图像生成引擎及时更新实时画面，让人感觉在看一个周围的虚拟空房间，产生360度的立体空互感。
2.互动
用户可以在虚拟世界中行走、奔跑、跳跃、下蹲、站立、抓取、投掷、释放、说话等等，就像在现实世界中一样。
目前虚拟现实一般通过可穿戴设备进行交互，如手柄、手套、贴片、脑机接口等。还有其他自然的交互方式:例如，语言识别、简单的手势识别等。
目前虚拟现实中的交互技术处于不断的探索和完善中，交互并不自然。
3.多重感知
虚拟现实技术的目标是尽可能呈现与现实世界一致的感官体验。
1)愿景
利用制作和渲染人物、物体和场景的现实技术，获得以假乱真的视觉体验。
利用最先进的画面捕捉技术、体感控制技术和画面渲染技术打造的虚拟角色。
2)听证
空之间的复杂声场，利用声场重建、共振音频等技术进行模拟，产生与真实世界相同的声场效果。
3)触觉
目前主流产品通过手柄振动提供触觉反馈，一些专业手套设备通过手指和手掌施力提供触觉反馈。
比如有些电子皮肤贴片通过振动力和频率反馈，又比如脑机接口通过生物监测和脑电信号处理技术提供免提交互。
4)嗅觉
目前已经有一些公司和团队在研究VR嗅觉，但是这个维度还是有门槛的，离安全情况下的全尺寸模拟还有一段距离，也存在尺度把握和用户体验适应性的问题。
左边是Feel Real VR面罩气味面罩，可以贴在头盔上，为一些场景提供气味沉浸感；右侧的特斯拉套装包括触觉反馈、动作捕捉、气候控制和生物反馈系统。
其触觉反馈系统基于经皮电神经***和电肌肉***。借助肌肉电脉冲技术，将感觉以生物电的形式从神经系统传递到大脑。
这套服装基本满足触觉反馈的两个维度:力反馈(感知物体形状、重量、硬度等。)和触觉反馈(感知物体纹理、粗糙度、冷热等。)，让用户更亲身体验虚拟世界(这些设备目前还不能普及，因为肉眼可见，所以就不展开了)。
现在很多人把VR和3D技术混为一谈，理解为3D电影、3D游戏、3D指挥中心、3D展厅等。作为虚拟现实应用。我相信以上特征可以表现出明显的差异。
二、操作原理
其实VR的概念早在1935年小说家温鲍姆的小说《皮格马利翁***》中就提出来了。在几十年的历史中，该产品经过了一代又一代的改进和发展。近年来，产品迭代速度不断加快。
比较标志性的事件是谷歌在2014年推出Cardboard，将VR终端设备小型化，随后是三星GearVR、国产暴风魔镜等透视盒(这些都不是真正的VR设备)。2016年，HTC推出了划时代的VR设备HTC VIVE，这是对虚拟世界的初步体验。然后，VR设备有百花齐放的格局，比如PS VR，RIFT/QUEST，Valve Index，PICO等等。
那么这些VR设备是如何工作的呢？了解它的工作原理有助于我们更好地理解虚拟现实产品。由于VR设备使用各种技术来完成虚拟内容的呈现，这里简单介绍一下其中涉及的一些内容，主要技术可以在后面介绍。
首先，要制作生成虚拟现实内容。无论是游戏、视频还是工业应用，都需要综合运用各种软件工具，对虚拟现实内容进行调查、分析、设计和开发。包括:建模、贴图、动画、导入开发引擎、音效、图形界面、灯光、特效、编写交互代码、发布优化等等(全景和视频制作流程不同)。
一个典型的VR团队需要内容策划、美工、建模工程师、音效制作、动画师、特效制作、开发人员、测试人员等角色。其中，每个角色还可以进一步细分。比如建模工程师，还可以细分为原画设计师、角色设计师、场景设计师、动画设计师、UI设计师等。
所以VR内容的制作一般需要一个团队，每个VR应用的开发流程也不完全一致。下图就是一个例子:VR游戏开发的简要流程。
其次，制作的VR内容在电脑或一体机上运行时，需要将每一帧的画面传输到头显设备上显示出来，这就需要显示技术。
一般使用VR透视进行立体成像，使左右眼看到的图像独立分离，在屏幕上连续交替显示左右眼的图像，利用人的视觉暂时保留生理特征，可以看到立体的3D图像。需要利用分色、分光、分时、光栅等技术，再利用计算机图形学对立体成像图像进行逆失真、合成、位置预测等处理，才有“真实感”。
为了提高画面渲染的效率，需要引入视点渲染技术。如果每一帧的获取都来自网络服务器(针对头戴式显示设备只负责显示图像，不负责计算和渲染的情况)，那么还需要云计算、边缘计算、5G等技术。
再次，当人物移动、旋转、抬头、低头、下蹲、起立等动作时。在虚拟场景中，计算机能够根据新的位置信息实时准确地生成新的图像，因此需要定位跟踪技术。
目前主流的方法有两种，一种是由外向内法，从基站发射激光定位头显和手柄上传感器的坐标位置和方向，并将数据传输给计算机。根据这些数据，可以判断用户的姿态、位置等信息，生成实时画面。
另一种是由内向外的方法，主要基于摄像头、传感器(加速度计、陀螺仪等)。)设备数据，综合运行计算机视觉、重力、加速度等。来分析用户的位置和姿态信息，生成实时图像(这种方法没有基站定位)。
此外，VR设备还需要根据用户的动作指令做出反应，给出画面反馈，或者给出物理反馈等。，这就需要识别技术了。比如开门进入新房间，挥手盯着人物，语音下达指令，开枪，用弓射箭，拿起物品等操作都需要VR设备进行识别和反馈。
这涉及到手势识别(主要是基于戴手套或手柄按键的硬件检测，也包括计算机视觉算法计算)、语音识别、面部识别(使用面部贴片或视觉计算)、眼球跟踪(使用视觉计算、机器学习、眼球肌电信号)、触觉和嗅觉反馈的综合运用。
VR设备的操作涉及的技术太多了。对于大多数VR应用开发者来说，他们实际上并不能使用这些技术，因为设备本身已经为我们屏蔽了底层的技术细节。
然而，了解其实现原理有助于我们设计合适的产品。
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题图来自Unsplash，基于CC0协议。
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