虚拟现实技术大揭秘及应用前景

　在经历了两年的原型机开发和测试后，Oculus终于第一次对外展示了他们的Oculus Rift消费者版虚拟现实（VR）头盔（Consumer Version 1，CV1）。Oculus Rift是一种在虚拟现实领域使用的显示器，能覆盖佩戴者的全部视野，目前主要应用于电子游戏中。此次的Oculus Rift CV1依旧非常轻便，能提供360度的VR音效，支持瞳距可调，相比第二代开发者版来说具有更广阔的视野和更可靠的头部追踪系统。

　　去年，Facebook斥资20亿美元收购了Oculus。让很多人认识了这家公司和Oculus Rift这个产品，也让虚拟现实（VR）技术迅速成为科技业的新热点。

　 　事实上虚拟现实并不是一种新技术，但是在Facebook等科技巨头的关注之下，其正在焕发出新的生命。今年晚些时候到明年下半年，索尼等多家公司也将 对外发布或者开售虚拟现实头盔。有业内人士指出，2016年将是“虚拟现实元年”。三星、HTC、谷歌、索尼、微软等公司也将在智能手机之后的另外一个计 算平台展开新的争夺。

　　

　　什么是虚拟现实（VR）？

　 　虚拟现实（Virtual Reality），简称VR技术VR，也称灵境技术或人工环境，是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟， 让用户如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。用户进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的三维世界视频传回产生临 场感。该技术集成了计算机图形、计算机仿真、人工智能、传感、显示及网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

　 　从技术的角度来说，虚拟现实系统具有下面三个基本特征：即三个“I”immersion-interaction-imagination（沉浸—交互 —构想），它强调了在虚拟系统中的人的主导作用。从过去人只能从计算机系统的外部去观测处理的结果，到人能够沉浸到计算机系统所创建的环境中，从过去人只 能通过键盘、鼠标与计算环境中的单维数字信息发生作用，到人能够用多种传感器与多维信息的环境发生交互作用；从过去的人只能以定量计算为主的结果中启发从 而加深对事物的认识，到人有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感知和理性的认识从而深化概念和萌发新意。总之，在未来的虚拟系统中，人们的目的是使这 个由计算机及其它传感器所组成的信息处理系统去尽量“满足”人的需要，而不是强迫人去“凑合”那些不是很亲切的计算机系统。

　　现在的大部 分虚拟现实技术都是视觉体验，一般是通过电脑屏幕、特殊显示设备或立体显示设备获得的，不过一些仿真中还包含了其他的感觉处理，比如从音响和耳机中获得声 音效果。在一些高级的触觉系统中还包含了触觉信息，也叫作力反馈，在医学和游戏领域有这样的应用。人们与虚拟环境相互要么通过使用标准装置例如一套键盘与 鼠标，要么通过仿真装置例如一只有线手套，要么通过情景手臂和/或全方位踏车。虚拟环境是可以是和现实世界类似的，例如，飞行仿真和作战训练，也可以和现 实世界有明显差异，如虚拟现实游戏等。就目前的实际情况来说，它还很难形成一个高逼真的虚拟现实环境，这主要是技术上的限制造成的，这些限制来自计算机处 理能力，图像分辨率和通信带宽。然而，随着时间的推移，处理器、图象和数据通讯技术变得更加强大，并具有成本效益，这些限制将最终被克服。

　　虚拟现实技术是如何运作的？

　　虚拟现实有三个独立的步骤。

　　第一步，追踪。例如，利用头盔式显示器追踪一个人在现实世界中的运动轨迹，当他（她）走动时，我们可以追踪到他（她）的位置，不断测量他（她）在物理世界中的运动轨迹。

　　第二步，透视投影。这个词指的是重新绘制一个场景，并利用计算机图像将抽象信息从代码转化为有形的显示单元（如像素）。

　　第三步，展示。当他（她）处于新位置时，我们可以改变他（她）眼中看到的信息，耳中听到的声音，有时候我们还会做出虚拟接触效果改变他（她）的手的位置，偶尔也会做出虚拟嗅觉。大脑的前部会告诉他（她）这不是真实的场景，而大脑后部却会说这是真的。

　　

　　虚拟现实技术包含哪些关键技术

　　1、实时三维计算机图形技术

　　关键是实时。例如在飞行模拟系统中，图像的刷新相当重要，同时对图像质量的要求也很高，再加上非常复杂的虚拟环境，问题就变得相当困难。

　　2、广角（宽视野）的立体显示

　　双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。

　　3、立体声

　 　在水平方向上，我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向，因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同 位置录制的不同声音来实现的，所以会有一种方向感。现实生活里，当头部转动时，听到的声音的方向就会改变。但目前在VR系统中，声音的方向与用户头部的运 动无关。

　　4、用户（头、眼）的跟踪

　　在人造环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态，而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头（眼）的方向来确定的。

　　5、触觉与力觉反馈

　　在一个VR系统中，用户可以看到一个虚拟的杯子。你可以设法去抓住它，但是你的手没有真正接触杯子的感觉，并有可能穿过虚拟杯子的“表面”，而这在现实生活中是不可能的。解决这一问题的常用装置是在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。

　　6、跟踪头部运动的虚拟现实头套

　　利用头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来，感觉更逼真。另一个优点是，用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动去观察环境。

　　7、语音输入输出

　　在VR系统中，语音的输入输出也很重要。这就要求虚拟环境能听懂人的语言，并能与人实时交互。而让计算机识别人的语音是相当困难的，因为语音信号和自然语言信号有其“多边性”和复杂性。

　　现阶段虚拟现实设备涉及的领域有哪些？

　 　虚拟现实技术应用在游戏领域是广为人知的，该领域的产品也是最为人们所熟悉的，索尼的Project Morpheus就是一款虚拟现实设备。Facebook为什么收购Oculus？主要原因之一就是它开创了一种新的产品：体感虚拟现实装置，它的出现将 更多不为人知运用虚拟现实设备的领域突显出来。

　　属于汽车领域的福特公司也开始涉猎其中。在福特的虚拟环境实验室里，采用 Oculus Rift眼镜来评估还不存在于物理世界的虚拟汽车的外观和内部装置。通过佩戴头戴式设备Oculus Rift，佩戴者可以在实验室体验驾驶车辆的感觉。此外，虚拟环境实验室还可以营造一种视觉效果——看到和真实车厢外几乎一样的景象。

　　美国国家航天航天局（NASA）之前就制造出虚拟现实系统以让人们体会火星漫步的感觉。现在NASA 又结合微软的Kinect与Oculus Rift，让航天员能以第一人称视角远距离操纵机器人进行各种危险工作，未来可以应用在太空站、航天飞机上。

　　还有房地产领域厂商为了方便顾客看房买房，也运用起了虚拟现实技术。其他如医学、工业、教育等领域也都采用过虚拟现实技术，只不过我们以前没有关注罢了。相信在未来十多年的时间里，虚拟现实技术肯定会成为下一个重要的技术平台，届时会有更多的领域使用虚拟现实技术。

　　

　　未来，虚拟现实技术将在有哪些领域获得应用？

　　案例NO.1：强化凝视

　 　如果我凝视着你，你的心跳会加速，你会记住更多我所传达的内容。但要同时与200人保持眼神交流几乎不可能。而虚拟现实的魅力在于，我可以通过电脑，将 虚拟化身显示在每个学生的显示屏上，每个学生都可以与我进行眼神互动交流，觉得我一直凝视着自己。在过去15年中，我们对几百名学习者做过试验。结果显 示，如果学生认为他（她）一直是老师目光的焦点，他听课会更认真，成绩也会相应地得到提升。

　　案例NO.2：动作和相貌模仿

　 　心理学家认为一个人的受欢迎程度与他（她）的模仿能力成正比。例如在面试中模仿面试官的姿势、动作，对方会更喜欢你。现在如果我要模仿你们，只能选择其 中一人的动作来模仿，但虚拟现实可以改变这一状况。创建一个老师的虚拟镜像，电脑会根据每个学生的动作创造出一个与学生的相貌及行为举止更为类似，更具亲 和力的老师，让学生觉得老师跟自己相像，从而更认真地听讲。同样，人们对于相貌更像自己的人也更有好感。

　　案例NO.3：身份的转变

　 　一个人走近一面虚拟镜子，看到了他的化身，发现镜中的自己是一名白人男性。这时突然有人按下按钮，镜中的形象变成了一名黑人女性，例如非裔美国人。这种 虚拟化身与本体的不一致对他将有何影响？我们知道有个词叫做“设身处地”，如果你和某人有类似的感觉，你的同理心反应会更强。

　　案例NO.4：美丽的化身

　 　社会心理学家发现，有魅力的美丽女孩通常更自信、更外向、求职成功率也更高。在虚拟现实中，美丽唾手可得，每个人都可以拥有完美的化身。当你的化身是美 女时，你在上前与他人交流时会站在一个离对方相对较近的地方。此外，你的讲话方式、语音语调、词汇的选择，都会因为你的虚拟化身而发生变化。美丽的虚拟化 身能激发你的信心。

　　案例NO.5：高大的化身

　　在现实世界中，一个人的地位高度通常与收入、信心成正比，这是一种重要的社会暗示。在虚拟现实中，高大的形象也垂手可得，它甚至会影响到你的现实财务状况。

　　那么这种美丽和高大的感觉会持续多久？有的人摘除头戴式设备回到现实后，虚拟现实仍会持续对他们产生影响。拥有美丽虚拟化身的女孩在现实生活中会更加积极地参与各类社交活动，拥有高大虚拟化身的男性在现实世界里也会变得更为自信，拥有更强的领导能力。

　　案例NO.6：同理心和利他主义

　　在虚拟现实中，如果你的化身是视觉障碍者或残障人士，你会体会到各种不便，也会更加了解这些人的不易。对这种角色的扮演会提升你的同理心。而且人们在虚拟世界中更愿意帮助别人。

　　案例NO.7：环境保护

　 　人类的特定行为所造成的结果无法立刻呈现在人们面前，如气候变化。然而如果使用虚拟现实技术进行模拟，无形的事物——如碳分子——就可以变成有形的，给 人一种更直观的感受。在美国，厕纸通常是不可循环再利用的。为了减少这类纸张的使用率，我们做了一个实验，将测试对象分为三组：第一组成员拿到了一篇纽约 时报的文章，讲述的是伐木的场景;第二组成员在视频上看到了树木砍伐的过程;第三组成员在虚拟现实中身临其境地体验了砍树的过程。一段时间后，我们对这三 组成员进行了后续追踪调查，其中第三组成员的用纸量下降了20%，而其他两组成员的行为基本没有改变。所以虚拟现实技术在一定程度上有助于加强人们的环保 意识。

　　案例NO.8：养老金产品

　　在中国，可能20多岁的年轻人都会进行储蓄;但在美国，人们更倾向于“及时行乐”， 很少往银行存钱。虚拟现实技术可以让一名20多岁的年轻人看到自己被老化处理后65岁的样子。当年轻人看到栩栩如生的老人形象后，会开始考虑现在应该如何 为今后舒适的晚年生活做准备。我们与美国银行合作开发的“人脸退休”（Face Retirement）产品，也是为了改变人们的观念。

　　案例NO.9：减肥产品

　 　用虚拟化身来改变行为在健康领域同样适用。在美国，肥胖已成为一种流行病，很多人都知道不运动、饮食不健康的生活习惯不对，但却难以改变。在虚拟现实 中，你做三次抬腿运动，就会明显发现自己的化身轻了一磅。之前可能你不相信自己能做到，但虚拟化身给你的感觉是，只要我运动，我是真的可以瘦下来的，这就 是社会认知理论中的 “自我效能”概念。

　　案例NO.10：体验式学习

　　如何提升学生的学习效率。这里要讲的是建构主 义，即“做中学”（learn by doing）。比如老师今天讲物理学中的重力章节，可以让学生在虚拟现实中往深坑跳下去，真真切切地去体验和感受重力。如果小孩想探秘海底动物之间的关 系，可以通过虚拟现实创造出一片海洋，让孩子们在海底畅游，去探索海底动物关系及海流变化等。这种学习体验是非常棒的。

　　虚拟现实硬件工程师需要哪些技能？

　　了解了这么多关于虚拟现实技术的信息，若要最终实现，那就需要做成产品，这其中需要设计师、工程师们的不断努力。那么，面对这样一个看上去稍显陌生的领域，工程师需要掌握哪些技能呢？这里直接给出两个例子。

　　下面是一家公司的虚拟现实技术硬件工程师的招聘要求。

　　首先，工作说明：通过不断地进行产品原型迭代，探索和完善机械和电气的设计。通过技术制造和产品开发指导来保证高水平的制造工艺。理想候选人应该具有较硬的工程背景，优秀的原型设计技巧以及设计和制造高技术产品的经验。

　　主要职责是：领导整个产品生命周期中的工程活动；开发系统、板级设计和低水平的嵌入式软件支持；开发嵌入式电子设计PCB布局以及元件布局分析；创建技术规范和产品定义；采购产品和服务，包括材料成本分析账单；提供跨职能领导能力以及发展方向。

　　技能要求：电气、电子、机械或计算机工程专业，或类似经验；拥有硬件设计和电子产品工程的专业知识；拥有产品制造只是以及快速原型制造的经验；具备把设备与嵌入式电子系统结合的能力；精通三维建模和设计分析技术。

　　加分技能： 光学系统和机制设计经验；嵌入式固件开发的经验；多传感器的单片机和微处理器的对接经验；Unity引擎或虚幻引擎的经验；VR或AR系统以及应用程序开发的工作经验；对其他的原理例如工业设计和质量控制感兴趣。

　　

　　再来看看Oculus团队的

　　我们从Oculus官网看到Oculus硬件工程目前有7类工程师的需求，分别是：电气验证主管、机械工程师、 Soft Goods工程师、光学工程师、先进制造工程师、RF工程师、产品设计工程师。

　 　电气验证主管需要测试和验证交到消费者手中的产品，需要和电气、机械和固件工程师合作，以确保新产品质量。主要负责：测试和验证硬件产品、设计和构建的 自动测试系统的硬件和软件接口、验证固件的协议和接口等等。要求获得电气工程学士学位（硕士学位优先考虑），拥有丰富的实验室设备（如示波器，高速数字测 试设备，逻辑分析仪和函数发生器）使用经验，和测试设备自动化经??验，具备测试UI设计能力；拥有I2C，SPI和USB等测试和调试知识；熟悉 python脚本语言和LabVIEW这样的的工具以及较强的数据挖掘分析能力和经验。

　　RF工程师则主要负责电路设计和天线设计；负责 屏蔽设计、干扰抑制；负责一个射频系统从概念原型到最终的生产实施；负责射频架构的未来产品原型。要求获得电气工程或相关技术学科的学士学位；6年以上的 射频设计经验；熟悉PCB布局原理和天线设计；拥有无线电校准、匹配网络设计、负载牵引分析和传输线理论设计等等的无线设计知识；拥有丰富的射频测量设备 使用经验。

　　产品设计工程师是领导设计开发生产新的硬件产品的牵头人，除了要求具备丰富的机械专业知识和经验外，光学系统经验也会是加分技能。

　　这里还看到要求能推动中国供应商，会普通话或者粤语也是加分项。看来Oculus对中国市场是相当关注的啊。

　　想必，不久之后，也会有不少中国工程师投身到这一领域吧。