虚拟现实技术—《知识大图解》


当今 3D 电影已在各地电影院风靡,但你能想象钢铁侠不只能从荧幕向你飞出,更能真正置身现实吗?你是否想过待在沙发上便能出游、从事危险的运动却毫无受伤风险?这些都是50年代虚拟现实技术刚起步时的愿景。如今随着科技进步,这些愿景即将实现。

 

虚拟现实的运作方式

 

虚拟现实不像 3D 技术那般只能在平面荧幕上呈现景深效果;它可以让你全方位 360 度置身于画面环境中,并让你的感知认定其为真实的环境。人类眼睛所见、手指所触,都是经过大脑感知并诠释的电子脉冲。基本上,虚拟现实技术的运作方式,是迷惑你的感知,使大脑相信你体验到的是真正世界的画面,但其实一切都是计算机制造出来的。

 

早期的虚拟世界是以虚拟现实模块语言(VRML)所程序化创造出来的。后来 VRML 被使用 XML 格式的 X3D 取代。X3D 这种建模语言可与 3D 绘图应用程序(包括Blender)结合使用,后者则提供各种 3D 绘图功能,可整合进虚拟现实的环境。其实有各种方式可创造出能以浏览器观看的虚拟现实世界,而透过计算机游戏是最能展现虚拟现实技术进展的方式。

 

虚拟现实应用于很多方面

 

虚拟现实除了计算机游戏以外也有许多其他应用。美军就采用了「近距离作战策略训练器」,该训练器利用虚拟现实来训练士兵与敌军作战,很像电玩游戏《决胜时刻》(Call of Duty)与《星舰迷航记》(Star Trek)中全像甲板的综合体。

 

虚拟现实与扩增实境(或 3D 效果)最大的差别是让人能有身历其境的感觉。虚拟现实也用于进阶手术训练,并被美国太空总署所采用。多亏了一些虚拟现实设备,如头戴式显示器以及虚拟现实眼镜,让虚拟现实展开一场复兴运动。

 

虚拟现实设备如何制造仿真世界?


一、触感

 

虚拟现实若要做到让人信服,必须让使用者不只觉得自己完全置身在该环境中,更要能与环境进行互动。这个可以互动的特质即所谓「遥现」(telepresence),这正是虚拟现实与其他虚拟世界系统或 3D 电影技术的最大不同之处。此外,虚拟现实的环境要让人信以为真,就必须能实时与使用者互动。

 

想想看你是如何与真实世界互动的。你可以触摸、拾起物品,感觉其触感;当你开门或捡起遥控器时,你就能影响这些物体。这些与物体互动的特征称为「力反馈」。假设你是个游戏玩家,力反馈的一个好例子,就是在你中弹的时候,摇杆和身上的护具都会实时发出振动,这些总称为触觉系统,是建构仿真虚拟环境的基本要素,用以迷惑你的大脑。

 

虚拟现实设备往往以更先进的操作系统控制,譬如虚拟现实手套。早期的尝试包括了任天堂的威力手套,而如今的虚拟现实设备多用 Razer Hydra 这类平台来控制,后者广泛用于头戴显示器 Oculus Rift。Razer Hydra 靠着一个可发射微弱磁场的机台运作,它利用强化线路、数位讯号处理器和定位算法,将控制器收集到的数据转为位置和方向信息,这些信息接着再被用作计算机绘图环境的控制元素。

 

二、成像

 



虚拟现实结合了数种技术,为使用者创造出令人信以为真的虚拟世界。其中头戴显示器是最重要的配件,它利用了所谓立体观测的技术,让我们的两只眼睛看到些微不同的影像。Oculus Rift 含有颜色深度24位元的单一 LCD 荧幕,内装1000赫兹的邻接现实追踪器,可以减少画面迟滞的现象,使得头戴显示器移动时,能有更真实的成像质量;此外,每只眼睛前方的镜片更会提供了景深信息,因此能呈现围绕穿戴者视线中的完整景象,头戴显示器内亦含追踪软件,让使用者移动头部,虚拟世界也会随之移动。

 

内建的三轴陀螺仪、磁力计以及加速器都有助于精确追踪使用者头部的运动,让使用者对环境的感受更真实。这三项技术决定穿戴者在四处移动时透过头戴显示器所看到的影像,当使用者一动,所见到的画面随之改变,虚拟现实就是利用这种感知模拟来迷惑大脑,让你的大脑以为身处真实环境。

 

三、动作

 

动作也是虚拟现实能够让人信以为真的重要因素。Virtuix 公司推出的 Omni 跑步机是虚拟现实头戴显示器和操作器的完美附加装置,使用者必须穿着一双特制的鞋子来使用 Omni 跑步机。当鞋子接触到 Omni 具有纹道、摩擦力低的表面时,跑步机里的平台会随之移动,模仿出在平地行走的状态;使用者甚至可以奔跑或跳跃,相对位置信息会实时传回计算机,实时产生头戴显示器中的画面。使用者在没有支撑的情况下行走时,就会看到自己在虚拟空间中的移动状况。当然,那只是计算机绘图合成的环境。

 

虚拟现实设备究竟如何让你的大脑放下怀疑,将虚拟现实当作真实世界般回应呢?一个令人信以为真的虚拟环境必须拥有超高分辨率的成像,头戴显示器中的画面更新率也必须至少每秒显示30影格数。要制造出一个仿真的虚拟世界,触感、阴影和光线效果的组合也必须十分精确,缺一不可。此外,声音必须具方向性,并且要能环绕使用者,如此才能让使用者感受到如同真实世界般的声音效果。


 虚拟现实最新产品

 

虚拟现实界的新产品还有苹果公司将推出的新 Mac Pro,配载了拥有12颗运算核心的英特尔 Xeon E5 IvyBridge 处理器。英特尔公司宣称这个最新型的芯片能让目前 Xeon 的中央处理器提高一倍效能。

 

Oculus Rift 则是最新型的头戴显示器,其目的在让每个人都能体验虚拟现实。过去虚拟现实设备的价格高昂,让消费者却步,只有像美国太空总署和军方单位才有足够的资金购买。Oculus Rift 可能预告了虚拟现实新纪元的到来,我们将经历全新的互动与沉浸式体验。这些虚拟现实技术显然会应用在电玩游戏上,但也许也会被应用于行动装置上。想象你打开 iPad 并透过头戴显示器得到全新的沉浸式体验。

 

倘若你一直认为《星舰迷航记》的全像甲板可以提供最终极的虚拟生活,那么即将问世的虚拟现实技术也许可以让你在自家中体验使用全像甲板的感觉。



 

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