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VR(虚拟现实)

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VR虚拟现实是什么

一般定义上,虚拟现实(Virtual Reality,VR))指的是通过高性能计算机生成的,以视觉、听觉、触觉等信息传播手段作用于用户,使之产生身临其境改进的一种交互式信息仿真技术。人体感受到的现实其实是人体的各项感觉刺激通过神经传递给大脑形成的,究其本质是通过外界对人体的刺激而在脑海中形成的真实形象,它是可以被虚拟的。当给用户提供的五感真实,而用户在其中产生的任何交互都实时而又自然,用户就无法分辨虚拟与现实,在学术界称之为“缸中之脑”,就像在黑客帝国中沉睡的人类所感受的一样。所以虚拟现实其实是一种先进的计算机用户接口,它模仿人体所感知的外界刺激,属于计算机仿真技术的一种

VR的分类

从虚拟现实的内容上来看,虚拟现实分为模拟现实型、超越现实型和纯粹虚拟型。

模拟现实型,顾名思义,是模拟现实环境中已存在的事物,用户可以虚拟体验真实的效果。目前这种类型的虚拟现实应用最为广泛,如全景旅游景点体验,模拟自然灾害,模拟飞行驾驶等。超越现实型则是在真实环境的基础上,加入人体平时无法感知的事物,可以充分发挥人的认知能力和探索能力。例如航天(北京)科技文化发展有限公司设计的虚拟太空港项目,用户可以体验虚拟发射、太空漫步等太空活动。纯粹虚拟型则充分利用了虚拟现实技术构想性的特征,充分发挥人类的想象力和创造力,在虚拟空间中创造现实世界中不存在的情境,如再现神话故事、童话故事。此类应用多用于休闲、娱乐项目,满足人们的好奇心和对生活的美好幻想。

VR发展历程

1935年前

19世纪英国著名的物理学家查尔斯·惠斯通爵士(Charles Wheatstone),1838年首次发现并确定立体图原理(Principle of stereograph),并因此被授予皇家学会皇家奖章,这项研究促使他创造了立体镜。19世纪英国著名的物理学家查尔斯·惠斯通爵士(Charles Wheatstone),1838年首次发现并确定立体图原理(Principle of stereograph),并因此被授予皇家学会皇家奖章,这项研究促使他创造了立体镜。此原理阐明了双目视觉的实现机制,在此理论基础上,查尔斯发明了一种由棱镜和镜子组成的器材——立体镜,从而使人可以从两张略有不同的二维照片中观察到立体的三维效果。这一原理至今仍用于一些简易的VR产品,以及观察X射线和航空照相。但在该时期,VR技术仅限于光学技巧,并没有得到实际的应用。

1935-1961概念萌芽期

1935年,小说家Stanley.Weinbaum在小说中描述了一款VR眼镜,以眼镜为基础,包括视觉,嗅觉,触觉等全方位沉浸式体验的虚拟现实概念,该小说被认为是世界上率先提出虚拟现实概念的作品。1956年电影摄影师MortonHeiling发明了名为Sensorama的仿真模拟器,并在1962年为这项技术申请了专利,这被誉为VR的原型机。电影摄影师MortonHeiling发明了名为Sensorama的仿真模拟器,并在1962年为这项技术申请了专利,这被誉为VR的原型机。

1962-1993研发与军用阶段

1962年,名为Sensorama的虚拟现实原形机被MortonHeilig所研发出来,后来被用以虚拟现实的方式进行模拟飞行训练。该阶段的VR技术仍仅限于研究阶段,并没有生产出能交付到使用者手上的产品。1968年,计算机图形学之父、著名计算机科学家IvanSutherland设计了第一款头戴式虚拟现实设备——Sutherland。Sutherland的出现,标志着头戴式虚拟现实设备与头部位置追踪系统的问世,如今的虚拟技术在此基础上做改革创新,而IvanSutherland也因此被称为“虚拟现实之父”。1984年,Atari虚拟现实研究室的前员工JaronLanier创办了VPL公司,并普及了VirtualReality这个术语。1989年,VPL公司推出了一套商业化的虚拟现实产品——eyephone。

1994-2015产品迭代初期

1994开始,日本游戏公司Sega和任天堂分别针对游戏产业陆续推出SegaVR-1和VirtualBoy等产品,在当时的确在业内引起了不小的轰动。但因为设备成本高。内容应用水平一般,最终普及率并没有很大。步入21世纪,随着计算机性能、图形处理技术、动作捕捉技术的进步,直到2012年,VR才真正享受到计算机技术进步的红利。

2012年,17岁少年PalmerLuckey在自家车库通过研究拆解1970至2000年初的VR设备,制作出开发者版本的Rift头显,并将它推上众筹平台Kickstarter。随后,PalmerLuckey成立了自己的公司Oculus,并在众筹平台上成功吸引了超过250万美元的资金,2014年更是被Facebook以20亿美元的天价收购。同年,谷歌推出售价仅为5美元的VR头显——Cardboard,开启了移动VR的新时代。

2016起产品成型爆发期

随着Oculus,HTC,索尼等一线大厂多年的付出与努力。VR产品在2016年迎来了一次大爆发。这一阶段的产品拥有更亲民的设备定价,更强大的内容体验与交互手段,辅以强大的资本支持与市场推广。整个VR行业正式进入爆发成长期。2016年,收购Oculus公司后的Facebook正式发售Oculusrift消费者版本,这是一款真正PC专用VR头显,价格599美元。扎克伯格说,2016年是消费级VR设备元年。据外媒报道,OculusQuest2在2021年的销量已经超过1000万台,远远超越其他VR设备,成为当下最受欢迎的VR头显之一。Quest2的销量破千万,意味着Meta在元宇宙的战略下,Meta已经有了基础的VR用户数目,加上原本Facebook社交平台已有的29亿月活用户数目,Meta元宇宙最根本的用户数已经被开发出来。扎克伯格认为,元宇宙的核心是互联网体验的升级,所以VR设备及其生态是关键。

VR的特点

想象性(Imagination):指设备呈现的环境是虚拟的,设计师想象出来的,这种想象体现出设计者相应的思想,因而可以用来实现一定的目标。虚拟现实技术的应用,为人类认识世界提供了一种全新的方法和手段。

沉浸感(Immersion):虚拟现实技术最主要的技术特征是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分,使用户由观察者变成参与者,沉浸其中并参与虚拟世界的活动。

交互性(Interactivity)指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。交互性的产生,主要借助于虚拟现实系统中的特殊硬件设备(如数据手套、力反馈装置等),使用户能通过自然的方式,产生同在真实世界中一样的感觉。

VR工作原理

人眼观察事物主要依靠晶状体折射并传递光线功能。因晶状体弹性有限,人眼难以看清眼球前方7厘米以内画面。虚拟现实呈像技术依托放大镜原理,在头显设备屏幕和透镜之间设定一倍焦距以内距离,通过透镜修正入射光折射光,以达到人眼能够看清眼球前方3厘米至7厘米距离范围画面并产生自然视觉体验的目标。虚拟现实设备根据人眼观察事物原理,左右眼屏幕设置不同观察角度画面,以达到虚拟现实自然仿真效果[1]

VR关键技术

中国信通院在《虚拟(增强)现实白皮书》中提出“五横两纵”的技术框架和发展路径,其中“五横”指近眼显示、感知交互、网络传输、渲染计算与内容制作,“两纵”指 VR 和 AR。

近眼显示:主要的技术子领域包括显示、光波导与应对 VAC 技术。在显示技术中,OLEDoS 和 Micro-LED 路径更贴合元宇宙对于 VR 体验的需求,其中 OLEDoS技术在 EPSON BT 350,Zeiss Tooz 设备中实现量产,而 Micro-LED 尚未取得量产。在光波导技术中,全息体光栅波导与表面浮雕光栅波导可以带来更好的体验,其中全息体光栅波导在微软,Magic Leap,BAE,Waveoptics,Vuzix,Dispelix 等产品中实现量产,表面浮雕光栅波导在 Sony,TruelifeOptics,Digilens,苹果 Akonia 等产品中实现量产。在应对 VAC 技术中,以 ; Holoeye、微软原型为代表的全息显示是主要技术趋势。

感知交互:感知交互的关键技术仍需较长时间的探索,现阶段主要技术路径涵盖沉浸声场、手势追踪、眼动追踪、环境理解与 3D 重建等技术。这些技术可以加强使用者与 VR 系统的感知,提升用户体验感与VR 场景真实性。

网络传输:VR端网络传输短期内依赖 5G+F5G 的解决方案落地,技术端依赖边缘计算、千兆光网+云 VR、IP 架构简化、全光网络、端网协同、精细化运维技术等。技术优化主要依赖通信厂商。

渲染计算:渲染计算的技术路径中包括云渲染、AI 与注视点技术。云渲染包括异步时间扭曲(ATW,适用于远景静物)、异步空间扭曲(ASW,适用于近景动画)、多视图渲染(Multiview)、多分辨率渲染、畸变补偿渲染等。其中 ATW 与 ASW 可以有效提高远景静物与近景动画的渲染真实度。AI 应用方面,英伟达在渲染质量与图像预处理能力上较为领先,推出了 GeForceRTX20、DLSS2.0(渲染质量)以及 OptiX 6.0(图像预处理)等一系列产品。注视点技术方面,可变注视点渲染与可变注视点光学均可以给用户带来较强的体验感,Facebook技术端的综合布局较强。

内容制作:内容制作的技术包括弱交互技术、强交互技术以及其他支撑性技术如操作系统、开发引擎等。强交互技术端虚拟化身是未来 VR 的技术主攻方向之一。操作系统(OS)端微软 Hololens 与 Facebook Quest 的兼容性与开发环境相对更为成熟。

VR

VR产品

VR相关产品则分为3种形式:VR盒子(无屏幕,用手机观看)、VR分体机(主要为头显,连接PC和游戏机等)及VR一体机(输出端为头显,不需要连接主机,独立移动)。

(1) VR一体机(输出端为头显,不需要连接主机,独立移动):是革命性平台产品,VR一体机具有自带屏幕和系统的特点,输出端是头显,显示一体机中的内容,价格在999-5699之间,计算能力较高,自带处理器,续航时间在2.5-4小时,重量在160-300克之间,方便携带,VR一体机的便携性以及5G带来的移动大带宽特性,一体机将成为未来VR设备的主流形式。其缺点是游戏内容目前较少,内存较低,难以运行较大的游戏,代表厂商有Oculus、华为、创维、大朋、PICO、爱奇艺、小米、博斯尼等

(2)VR盒子(无屏幕,用手机观看):VR盒子是较早期的VR形式,显示方式是只将盒子中的手机屏幕投到眼睛上以带来VR的视觉效果,实际上的功能实际效果依赖手机分辨率,并且整体体验较差。价格方面,在20-1000元之间不等,价格低,方便便携,但它该品类将逐渐遭到市场淘汰。

(3)VR分体机(主要为头显,连接PC和游戏机等):VR头显是近几年巨头们主力发力的领域,显示方式是显示PC或主机的画面,所以PC的性能成为关键指标(主机类如PS4、PS5等性能固定),运行的游戏相对丰富,其内容也是国内外主流3A厂商近几年所重点发力的方向。价格在1125-7000之间,其续航能力是连接电脑或主机即可长时间使用;就其便携性而言,需要搭配PC或主机使用携带,整体较大;缺点是好的VR设备+PC主机整体价格偏贵,需要连线进行游戏;代表厂商有HTCVive、Oculus、PlayStation、Valve等

VR设备基本构成

虚拟现实设备一般包含三个基本模块,计算单元,显示设备,交互设备。

(1)计算单元:计算单元用来进行大规模运算,实时输出虚拟环境的模拟信号,包括视频、音频及其它交互设备的反馈信号等。虽然目前智能手机已经能实现大部分计算功能,但更为真实和复杂的虚拟场景,仍然需要专业的计算单元。

(2)显示设备:显示设备用来输出虚拟的环境,目前的显示技术和计算能力还无法提供足够逼真的环境,用户在使用VR设备时的眩晕感目前还无法完全避免。

(3)交互设备:交互设备是用户实现与虚拟环境进行沟通交流的媒介,目前主要是通过视觉捕捉技术,体感技术,以及其它直接触摸的设备(如手柄,摇杆等)进行。

VR设备

(1)Oculus:Oculus的所有方是Facebook。Oculus最初由VR狂热爱好者Lukey成立,首次在Kickstarter上获得投资240万美元,开发出了OculusDK1。2014年7月Facebook宣布以20亿美元的价格收购Oculus。2018年9月,OculusQuest一体机发布,其特点是支持6DoF大空间定位,被看作是终结VR1.0时代的作品。2020年9月,Quest2正式发布,基于高通骁龙XR2平台打造。

(2)HTCVive:HTCVive的所有方是HTC。2012年,Valve制作了虚拟现实的第一个原型头戴式显示器HMD,是HTCVive的最原始雏形。2014年,HTC与Value签订合作协议。2015年3月,HTC和VALVE合作推出了VR头显HTCVive。2016年6月,HTC推出了面向企业用户的Vive虚拟现实头盔套装—ViveBE,其中包括专门的客户支持服务。2018年,HTCVIVEPro专业版发布。2021年5月11日,HTC正式发布VivePro2及面向专业用户的设备ViveFocus3。

(3)HoloLens:HoloLens的所有方是Microsoft。2008年,微软推出项目Project Baraboo,作为HoloLens的最初筹备。2015年1月22日,微软正式发布Project HoloLens,成为适配Windows Holographic全息系统的主要设备。2019年11月HoloLens2正式发布。

(4)3Glasses:3Glasses的所有方是虚拟现实科技。2012年12月3Glasses虚拟现实头盔项目正式立项。2014年1月,3Glasses第一代产品D1开发者版工程手版面世。2016年6月,VR内容服务平台VRSHOW上线;12月,3Glasses成为微软首批VR头显合作伙伴。2019年,成为高通XRSIMPLEVIEW计划全球首家官方认证企业。

(5)大朋VR头盔:大朋VR头盔的所有方是乐相科技。2014年6月,大朋VR成立,由国内一批虚拟现实狂热爱好者组成。2016年12月,大朋VR联合恺英网络打造VR综合性平台VRonline。2017年3月,大朋VR联合京东发布新一代PC端VR头盔E3。2019年1月,发布搭载高通全球首款骁龙XR1处理器VR-体机P2。

(6)Pico:Pico的所有方是字节跳动。2015年12月,推出Pico1虚拟现实头盔与PicoVR虚拟现实APP及Pico行业解决方案;2020年3月,第二代6DoF一体机PicoNeo2正式推出。

(7)NoloSonic:NoloSonic的所有方是Nolo。2016年8月,第一台产品Cobb发布。2020年6月,NOLOX1套装上线,同年9月NOLOX14K上线;2021年5月,发布搭载自研定位技术SodarTraq®的NOLOSonicVR一体机。

(8)HIARG200:HIARG200的所有方是亮风台。2015年8月27日,亮风台正式发布HIAR增强现实开发平台。2015年11月,发布双目AR眼镜HiARGlasses原型机。

(9)Play StationVR:Play StationVR的所有方是索尼。1993年,索尼电脑娱乐(SCE)成立。1994年,SCE推出PlayStatio(PS)。2016年10月13日,PSVR发布[2]

VR相关概念

由现实至虚拟,虚拟现实的概念可分为物理现实、增强现实、消去实境、混合现实、增强虚拟、虚拟现实与数字现实,另外也有总括所有概念的扩展现实[3]

⚫ 物理现实(Physical Reality):即现实世界;

⚫ 增强现实(Augmented Reality,AR):在现实世界中扩充实景,AR 设备可以包括佩戴类和非佩戴类;

⚫ 消去实境(Diminished Reality,DR):让本来存在在现实中的物体从电脑中消失,这一概念由德国伊尔梅瑙工业大学研发;

⚫ 混合现实(Mixed Reality,MR):指混合现实或混合实景,一般指将 VR 技术与 AR 技术融合;

⚫ 增强虚拟(Augmented Virtual,AV):相当于在 VR 中使用 AR 技术,让现实中的物体出现在虚拟世界中;

⚫ 虚拟现实(Virtual Reality,VR):VR 设备均为佩戴类,可以让使用者完全置身于 360°的虚拟环境中;

⚫ 数字现实(Digital Reality):完完全全的虚拟世界;

⚫ 扩展现实(Extended Reality,XR):总括了各种虚拟现实概念

VR

参考资料:

【研报】虚拟现实行业系列深度研究:2019年中国虚拟现实关键技术概览-20200728[38页].pdf

【精选】2021年传媒行业VRAR行业变革与Metaverse未来前景分析报告(36页).pdf

 ;通信行业元宇宙深度报告:十问元宇宙如何将抽象的概念具象化?-211111(89页).pdf

相关报告

赛迪: 2021虚拟现实产业发展白皮书(93页).pdf

易观分析:2021年虚拟现实产业分析(47页).pdf

DigitalReality:2021-2030大趋势-千兆网连接、增强现实和虚拟现实、人工智能等(英文版)(105页).pdf

【精选】2021年电子行业VR市场规模及AR技术发展趋势分析报告.pdf

VEA:虚拟现实(VR)体验标准技术白皮书(30页).pdf

【研报】电子行业:5G时代已至VR或AR蓄势待发-210428(44页).pdf

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