奇妙二次元世界：揭秘頭戴VR工作原理及組成

　　一個(gè)透鏡，一些傳感器，以及其他一些東西，它們是怎樣把你“瞬移”到一個(gè)奇妙新世界的?

　　VR看起來(lái)可能有點(diǎn)像是黑魔法，但事實(shí)上，每個(gè)頭盔都是精心設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，是尖端的科技與奇思妙想的融合，旨在讓你忘記凡塵瑣事，一心專注在屏幕呈現(xiàn)的VR世界中。以下是對(duì)頭盔工作原理的分解介紹，這些組件合在一起，提供了令人信服的VR體驗(yàn)。

　　透鏡

　　透鏡是最重要的元素之一。透鏡旨在愚弄你的眼睛，讓你以為面前是一片廣闊的空間，而不是兩英寸大的平面顯示器。要做到這一點(diǎn)，透鏡需要聚焦光線，讓你感覺(jué)顯示器好像在無(wú)限遠(yuǎn)的距離之外。

　　很多頭盔都采用了特殊的菲涅耳透鏡，通過(guò)使用薄的、圓形棱鏡陣列，來(lái)實(shí)現(xiàn)與大塊曲面透鏡相同的效果。這些透鏡還被用來(lái)放大頭盔的內(nèi)置顯示屏，讓圖像占據(jù)你的整個(gè)視野，這樣你就不會(huì)注意到屏幕的邊緣了。

　　顯示屏

　　高性能顯示器，是讓VR具有說(shuō)服力的另一個(gè)重要因素。它們必須具有足夠的像素密度來(lái)顯示清晰的圖像，并且速度要足夠快，這樣VR中的運(yùn)動(dòng)畫面才會(huì)流暢平滑。

　　HTC Vive和Oculus都采用了兩塊1080x1200顯示屏，一只眼睛對(duì)應(yīng)一塊，它們可以以每秒90幀的速度顯示圖像——為用戶提供平滑流暢的運(yùn)動(dòng)畫面，以及寬廣的110度的可視角度，可以覆蓋你視野范圍的很大一部分。

　　高端頭盔還使用雙屏幕來(lái)提供類似于任天堂3DS的立體3D效果。每塊屏幕對(duì)每只眼睛顯示一幅略微偏移的圖像，然后我們的大腦會(huì)自動(dòng)把它們“粘合”在一起成為一幅圖像，并在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生一種和深度有關(guān)的錯(cuò)覺(jué)。

　　三星Gear VR把智能手機(jī)作為顯示屏來(lái)使用，為了保持成本低廉和“無(wú)線”效果，犧牲了視野和圖形保真度。在這種情況下，創(chuàng)建立體圖像的工作是由兩個(gè)可替換透鏡來(lái)完成的。

　　焦點(diǎn)調(diào)試

　　因?yàn)槊總€(gè)人兩個(gè)瞳孔中心之間的距離(也就是你去配眼鏡的時(shí)候，需要測(cè)量的瞳距)是不同的，所以頭盔中鏡片的位置必須是可調(diào)的，以便根據(jù)我們的瞳距來(lái)提供正確的立體3D效果。

　　Oculus Rift還使用了混合菲涅爾透鏡，這種透鏡具有可變的聚焦水平，你可以通過(guò)向上或向下移動(dòng)頭盔來(lái)調(diào)整焦距，找到最佳位置。

　　位置傳感器

　　為了顯示精確的畫面，當(dāng)你環(huán)顧周圍時(shí)，頭盔必須以亞毫米級(jí)的精度跟蹤你的頭部運(yùn)動(dòng)。這是通過(guò)各種內(nèi)置傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。有了這些傳感器提供的各種數(shù)據(jù)，頭盔就可以實(shí)現(xiàn)真正的“六自由度”，跟蹤頭盔可以跟隨頭部做出的任何運(yùn)動(dòng)。(注：物體在空間具有六個(gè)自由度，即沿x、y、z三個(gè)直角坐標(biāo)軸方向的移動(dòng)自由度和繞這三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。)

　　磁力計(jì)可以測(cè)量地球的磁場(chǎng)，因此總是知道“磁北”在哪個(gè)方向。這樣就可以確保它指向的是正確的方向，防止出現(xiàn)“偏移”錯(cuò)誤——即頭盔以為自己朝著某一個(gè)方向時(shí)，其實(shí)朝著的卻是另一個(gè)方向。

　　加速度計(jì)有幾個(gè)用途，一個(gè)是檢測(cè)重力，讓頭盔知道上方是哪個(gè)方向。智能手機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)換橫豎屏，靠的就是加速度計(jì)。而且正如它的名字所說(shuō)，它可以測(cè)量沿著一個(gè)軸的加速度，因此它能提供有用的數(shù)據(jù)，讓頭盔知道一個(gè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)的速度。

　　陀螺儀可以跟蹤沿著一條軸的微小偏移(例如你稍微傾斜頭部或點(diǎn)頭的時(shí)候)，來(lái)提供更精確的物體旋轉(zhuǎn)信息。

　　三星Gear VR沒(méi)有采用更先進(jìn)的紅外跟蹤方法，而是使用了慣性測(cè)量單元(IMU)，它是集磁力計(jì)、加速度計(jì)和陀螺儀為一體的“多合一”設(shè)備。與大多數(shù)智能手機(jī)不同的是，這個(gè)IMU是專門用來(lái)減少滯后現(xiàn)象和改善頭部跟蹤性能的。

　　紅外跟蹤

　　Oculus Rift和HTC Vive都使用紅外激光來(lái)跟蹤頭盔的移動(dòng)，但各有各的方法。

　　Oculus使用的是放在辦公桌上的“星座”(Constellation)紅外攝像頭，跟蹤Oculus Rift頭盔前后都有的紅外發(fā)射器。如果使用Oculus Touch控制器，你還需要另外再配一個(gè)攝像頭，以避免在跟蹤頭盔和控制器上的紅外燈時(shí)出現(xiàn)混淆。每個(gè)傳感器都是單獨(dú)跟蹤的，計(jì)算機(jī)收集所有信息來(lái)渲染畫面，讓你在任何時(shí)候從任何角度看的圖像都是正確的。所有這一切幾乎都需要立即完成，這意味著每個(gè)紅外傳感器的坐標(biāo)被立即捕獲和處理，圖像也就馬上顯示出來(lái)，幾乎沒(méi)有滯后。

　　HTC Vive使用的是“燈塔”(Lighthouse)紅外發(fā)射器，它被放置在游戲空間的角落里，可以快速發(fā)射激光，掃過(guò)房間。Vive上的紅外傳感器捕捉到它，并對(duì)其在一個(gè)空間內(nèi)的位置進(jìn)行測(cè)量。這個(gè)系統(tǒng)的工作原理類似于Oculus，但本質(zhì)上它是把“燈塔”作為了發(fā)射器，把頭盔作為了攝像頭，角色剛好反了過(guò)來(lái)。

　　伴侶系統(tǒng)

　　Vive頭盔除了有“燈塔”紅外跟蹤系統(tǒng)之外，還有一個(gè)前置攝像頭，它可以使用“伴侶”系統(tǒng)，來(lái)幫助檢測(cè)你是否離開(kāi)了游戲空間的邊界。因此，如果你快要撞上墻壁或家具了，Vive就可以巧妙地給你發(fā)送視覺(jué)提示，讓你知道自己已經(jīng)到達(dá)了VR空間的邊緣。

　　控制器

　　Rift和Vive都有無(wú)線運(yùn)動(dòng)控制器，讓你與3D空間中的物體進(jìn)行充分交互，從而增強(qiáng)沉浸感。

　　像頭盔一樣，每個(gè)控制器都配備了磁力計(jì)、加速度計(jì)和陀螺儀以及紅外傳感器，對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行亞毫米級(jí)的精度跟蹤。

　　音頻

　　很多頭盔內(nèi)置了耳機(jī)，可以產(chǎn)生3D音頻。這樣游戲就可以添加相對(duì)于你的位置的音頻提示，讓你可以聽(tīng)到好像是來(lái)自后面、上面，甚至下面的聲音。

　　隱藏的麥克風(fēng)可以給游戲開(kāi)發(fā)者提供更多的選擇，在游戲中添加更多的沉浸式功能。使用麥克風(fēng)，游戲可以檢測(cè)你在隱形游戲中產(chǎn)生的噪音量，或者把它作為在VR中進(jìn)行語(yǔ)音交流的方法。

　　線材

　　雖然有些VR設(shè)備(比如三星Gear VR)是完全無(wú)線的，但Vive和Rift都需要用線材將頭盔連接到計(jì)算機(jī)上，以便傳輸數(shù)據(jù)和電能，讓顯示屏以90幀/秒的速度顯示高清圖像。如果你是坐著使用頭盔和游戲手柄，那沒(méi)有什么問(wèn)題，但當(dāng)你在室內(nèi)走動(dòng)時(shí)，線材確實(shí)可能會(huì)變得礙手礙腳。

　　計(jì)算機(jī)

　　VR這種黑魔法真正發(fā)生的地方其實(shí)是在計(jì)算機(jī)里。所有的位置跟蹤數(shù)據(jù)都被發(fā)送到了計(jì)算機(jī)上，輸入到了游戲中，然后它再對(duì)圖像進(jìn)行渲染，發(fā)送到頭盔上顯示出來(lái)。

　　對(duì)于三星Gear VR和其他無(wú)線VR頭盔來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)被放在了頭盔內(nèi)部，比如在Gear VR上，智能手機(jī)不僅扮演了顯示屏的角色，而且還承擔(dān)了處理器的任務(wù)。