如果你是最后一种情况,那你有点像大部分现如今从事VR行业技术开发的计算机科学家或者工程师一样。今天,所谓的VR虚拟现实更多地是指大众熟知的VE(Virtual Environment,也就是虚拟环境)。毕竟,在虚拟环境都不够理想的境况下,其它的如多感知、自然技能、传感设备等连个雏形都没有。因而我们会在下文中用VE和VR互联。(即用VE虚拟环境的概念来代替VR虚拟现实的概念)
抛开两个概念的差别不谈,虚拟环境包含着和虚拟现实一样的通过计算机技术创造一个即时的3D虚拟世界,在这个虚拟世界中用户可以进行操作和探索,产生像在真实世界一样的感觉。科学家,理论家和工程师已经发明了许多的设备和应用来达到这一目标。虽然他们在关于什么才是构成真正的VR体验上的观点发生分歧,不过大致上都包含如下观点:
1.用户视角看来与实物完全一致的3D影像
2.捕捉用户动作的能力,尤其是头部和眼睛的运动,并且根据用户视角的变化相应地调整呈现给用户的影像。
在本文中,我们会讨论VR虚拟现实的特征的定义,一些VR虚拟现实系统应用到的技术,一些相关的运用软件,对虚拟环境的一些关注点,以及整个VR体系的简史。
首先我们来看看专家是如何定义虚拟环境的,以沉浸感为出发点。
虚拟现实沉浸
在一个虚拟现实环境中,用户体验到沉浸感,也就是所谓的感觉到成为虚拟现实环境的一部分。同时用户也可以和他所处的虚拟环境通过有意义的方式交互。沉浸感和交互感的结合统称为临场感(Telepresence)。计算机科学家乔纳森·斯特尔(Jonathan Steuer )将之定义为“与直接的物理环境相比个体处在这种间接的虚拟环境中感觉到真实的程度”。换言之,一个有效的VR体验使得你能够忽略外部环境而专注于虚拟环境的存在。
乔纳森·斯特尔进一步提出了沉浸感的两个重要组成部分:信息深度,信息广度。信息深度指的是用户和虚拟环境交互过程中收到的信号所包含的数据的数量和质量。对于用户来说,信息深度可以表现为显示分辨率,虚拟环境图像复杂性,以及系统音频输出的复杂性等等。斯特尔将信息宽度定义为“同时呈现的感官维度数量”。理想的虚拟环境必须同时满足人的所有感官。大部分虚拟环境优先满足满足的是人的视觉感知和听觉感知,不过越来越多的科学家和工程师正在寻找新的方式来结合触觉感知。给予用户力反应和触觉交互的系统被称为触觉系统(Haptic Systems)。
有效的虚拟现实沉浸感必须使得用户能够探索与现实同步的虚拟环境和360度无缝隙地改变视角。假设虚拟环境中包含某个房间中部的一个基座,用户可以从任意角度来观察这个基座,而基座的图像随着用户的视角相应变化。VR科技和理论方面的先锋佛瑞德·布鲁克斯表示虚拟现实影像必须保持最少每秒20-30帧才能创造出真实可信的用户体验。
虚拟现实环境
当用户探索虚拟环境时虚拟环境系统中的其它感官输出应该根据现实时间调整。假设虚拟环境中包含3D音效,必须使得用户相信他在环境中闪转腾挪所产生的声音的方位转变是自然而然的。当用户沉浸在虚拟环境中的感官刺激必须保持一致。假设虚拟环境正展示一个绝对静止的场景,你当然不能让用户有被强风吹的感觉。同样地,当虚拟环境中用户处在飓风的中心,你当然不能让用户觉得清风拂面仿佛在玫瑰园中。
用户行为和虚拟环境反馈之间的迟延时间被称为潜伏期(Latency)。潜伏期通常指介于用户头部转动或者眼睛移动与影像变化之间的延迟,而它也可以用来表示其他感知输出的延迟。飞行模拟器的研究显示人类可以察觉到超过50毫秒的延迟。所以当用户察觉到潜伏期,这会让他注意到处在一个人造环境中从而破坏沉浸感。
当用户感受到现实世界时也就意味着沉浸感到此为止。真实的沉浸感会让用户忘记周遭的现实环境。为了达到这一目标,VR开发者不得不找出对于用来说更自然的输入方式。只要用户能够感觉到交互设备的存在,就算不上真正的沉浸感。
虚拟现实交互
为了让用户真实地沉浸在虚拟环境中,一个关键的要素就在于交互性。早期的虚拟现实应用使用和现在的虚拟环境系统相同的技术来让用户有一个相对的被动体验。用户可以通过穿戴头盔显示器来观看一部早就录好的电影。 用户可以坐在一个模拟座椅上观看这些影片,系统会给予他们各种感官刺激,比如往脸上吹气以模仿风。早期的应用智能让用户感受到某种单一的沉浸感,而不具备交互性,因为并不能解决视角变换的问题。然而早期的探索具有决定性意义,对VR发展的促进功不可没。
今天,你可以发现使用相同技术的虚拟过山车。在位于美国弗罗里达州奥兰多的迪士尼探索世界,赞助人可以在电子空间中的山岭上设计自己的过山车,然后通过模拟器进行体验。不过由于并不存在交互性,这不能算是一个真正意义的虚拟环境。
交互性依赖许多因素。斯特尔从中提出了三点要素:速度(Speed)、幅度(Range)、映射(Mapping)。斯特尔将速度定义为用户行动与计算机模型相结合并反馈到用户的频率。幅度指的是计算机模型对于用户行动给出的反馈的数量。映射指的是系统对于用户行动所产生的自然技能。
计算机科学家玛丽·慧顿指出设计粗糙的交互系统会减少沉浸感的体验。当一个虚拟环境变得有趣且可操作时,用户才会打消自己的疑虑有更大的意愿来沉浸。
真实的交互性也包括对环境的修改。一个好的虚拟环境会对用户在合理范围内的有意义的行动作出合理的反映。如果一个虚拟环境的变化稀奇古怪不合常理,会极大的破坏用户的临场感。
虚拟现实设备
今天,大多数的虚拟环境系统是由个人电脑搭载。个人电脑有足够卓越的性能来运行和创造虚拟环境的软件。虚拟环境的影像通常需要一个支持高配游戏的高端显卡支持。这个高端显卡显然是个人电脑虚拟环境软件的标配。
虚拟环境系统需要通过某种方式来向用户展示影像。许多系统运用一个包含两个分别对应双眼的头盔显示器。头盔显示器的影像通常有立体的效果,使得用户进入深度感知。早期的头盔显示器一般使用CRT显示器或者LCD显示器(即液晶显示屏)。这两种显示器各有优劣,CRT显示器好处是不错的分辨率和良好的影响质量,坏处是体积庞大,LCD显示器价格便宜成本低廉但是无法呈现出CRT显示器质量的影像。不过由于技术的发展和进步,LCD显示器在分辨率和色彩饱和度方面取得了长足的进步,因而变得比CRT显示器更主流。
其它的在房间的墙上、地板上、天花板上呈现图像的虚拟环境系统被称为室内虚拟环境(CAVE,Cave Automatic Virtual Environment)。伊利诺伊大学芝加哥分校设计了世界上第一个CAVE显示,他们利用背面投影技术在房间的墙上、地板上、天花板上呈现影像。用户佩戴上特殊的眼镜可以在CAVE影像中四处移动以体验完整的室内虚拟环境。CAVE影像给予用户更宽广的视野使用户更容易获得沉浸感。CAVE同时也允许一群人实时地分享他们在虚拟环境中的体验(不过由于只能捕捉某个用户的视角作为主视角,也就意味着其他人只能是被动的旁观者)。比起其它虚拟环境系统,CAVE影像造价更昂贵而且需要更多的空间。
虚拟环境影像呈现技术的关键在于捕捉系统。捕捉系统在对用户的视角方位做出分析判断后再由计算机系统给用户传输准确的图像获得视觉刺激。多数的捕捉系统要求用户在线路连接的分析系统的范围内活动,限制了用户活动的范围和幅度。捕捉技术的发展要稍微滞后于其它VR技术的发展,因为捕捉技术的市场主要是VR领域的关注者。在没有对VR应用和产品的需求支持下,投资者并没有多少兴趣来发展新的捕捉技术。
另外输入设备在VR系统中也非常重要,输入设备的范围从有两三个按钮的控制器到电子手套和声音识别软件不等。在VR体系中还没有统一的控制系统标准。VR科学家和工程师正为了探索出让用户更自然地进行系统输入临场感十足的方式而不懈努力。一些比较普遍的输入设备如下所示:
l 操纵杆(Joysticks)
l 力球/捕捉球(Force balls/Tracking balls)
l 手柄(Controller Wands)
l 声音识别(Voice recognition)
l 动作捕捉/捕捉服(Motion tracker/bodysuits)
l Treadmills