第二节 VR技术的主要特征与技术框架

VR技术发展至今，其核心框架与技术特征已趋成熟。作为一个系统性的跨学科技术，VR是计算机图形技术、显示技术、传感技术、仿真技术、网络技术等诸多技术的综合体，其核心在于建模、仿真与反馈控制。通过作用于视觉、听觉、触觉、嗅觉等多元感知，令用户置身于虚拟环境（Virtual Environment，VE）中，并通过动作捕捉与反馈，进一步令用户可以与虚拟环境产生交互。

基于上述过程，格里戈尔·布尔代亚（Grigore C. Burdea）与菲利普·科菲（Philippe Coiffet）1994年在《虚拟现实技术》（Virtual Reality Technology）一书中概括了VR的三大基本技术特征，即沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）与想象性（Imagination）的“3I”特征。

值得注意的是：设计、发展与应用一套完整的VR系统，涵盖了硬件、软件、内容与用户四个层面。硬件模块与软件模块组成机器一端，向用户传送内容，而用户通过输入输出循环，达成“人机互动”（见图1-17）。

图1-17 完整的VR系统

可以看出，一套成功的VR系统，必须以用户为中心，换言之，VR本质上是一种“人在环路中”（Human-in-the-loop）的应用（见图1-18），上述提及的VR基本3I特征，其实均可以从用户角度来进行阐释。

图1-18 人在环路中

（1）沉浸性：VR技术亦被称为灵境技术，用户受到多重感官刺激，感知与环境高度融合，获得身临其境、亦真亦幻的感觉。

（2）交互性：在上述虚拟环境中，用户利用操控板、手柄、手套、座舱等传感设备，通过动作捕捉、眼球跟踪等技术，与游戏、影视中的情节、人物产生互动，获得感官反馈，乃至介入或影响情节发展。比如：推开不同的房门，从而进入不同的故事场景；抓握场景中的道具，VR手套会有震动或作用力反馈。

（3）想象性：用户在上述过程中，认知得到更新，情感产生共鸣，由物理上的沉浸与互动扩展到精神上的思考与联想，催生意象，实现自我满足。

以上层层深入的用户体验，是硬件、软件、内容共同作用的结果。就软硬件而言，持续提升的技术标准，不断优化着用户体验。其中，最为重要的三大标准包括：延时（Latency）、屏幕刷新率（Screen Refresh Rate）和陀螺仪刷新率（Gyroscope Refresh Rate）。

延时是指“从人的头部移动开始一直到头显设备的光学信号映射到人眼上面全部的等待时间”。其中涉及的主要步骤包括：头部转动——传感器采集运动数据——数据转换为数字信号——数字信号传输至运算单元——运算引擎基于输入数据完成处理——图像处理与渲染——渲染结果送至屏幕——用户接收显示。延时是影响用户体验的重要因素，在上述这一系列过程中，从最初头部转动到最终完成显示，20ms是个临界点，是人体感知器官可以察觉的延时阈值，当延时小于10ms时，画面延迟现象基本无法被察觉。

屏幕刷新率是指显示屏每秒刷新画面的次数，刷新率越高，影像流畅度越高、用户体验越佳。目前较高端的消费级VR设备，如HTC VIVE，刷新率达到90Hz。需要指出的是：影像流畅度除了屏幕刷新率，亦与帧数密切关联。前者是显示屏的性能指标，而后者是图形处理单元的性能指标。帧数（Frame Per Second，FPS）是指图形处理单元每秒渲染输出新画面的次数，图形处理器性能越强，自然输出的帧数越高。这两个指标相互牵制：若屏幕刷新率低于帧数，则冗余的帧数均为无效帧，不会对提升画质产生帮助，反而可能造成画面断裂的负效应；若帧数低于屏幕刷新率，则屏幕多次刷新显示的均为同一画面，影像连续度、流畅度自然下降。一般通过垂直同步功能，来匹配屏幕刷新率与帧数，两者均达至90Hz，用户才可以获得较为流畅的画面体验，两者均达至120时，才能够有效避免眩晕。

陀螺仪刷新率是指对陀螺仪数据的采集频率。陀螺仪基于角动量守恒理论设计而来，对于偏转、转动等动作有着相当灵敏与准确的检测能力。VR设备中加入陀螺仪，是“因为传统采用的加速度计只能检测轴向的线性动作，没法测量、重构完整的3D动作，而陀螺仪就是为了帮助计算机重构空间上的动作模型”。显然，在检测过程中，陀螺仪数据更新的频率越快，对于动作模型的重构也就越及时、准确，从而能够实现对于头部运动的实时捕捉，这对于缩短延迟有着重要的意义。一般而言，1000Hz是陀螺仪刷新率的基本技术指标。

除了上述三大技术标准外，另有一些指标亦或多或少地影响着VR使用过程中用户的体验。

（1）屏幕分辨率（Resolution）和视场角（Field of View, FOV）：屏幕分辨率是衡量屏幕显示像素量的重要指标。可显示的像素数量越多，画面清晰度与精细度越高。目前主流VR设备的屏幕分辨率在2K左右。视场角是指屏幕边缘与观察点连线的夹角，换言之，即用户肉眼可以看到的范围，可以分为水平视场角与垂直视场角。人眼的双目视场角约200度，中间约120度为双目视觉区域，能够体验到3D效果的视场角约为60度。视场角宽广，便无须通过多余的转头动作来观看完整的画面，能够以固定姿态在大视野中获取更多的信息与细节，无疑会增加沉浸感。但需要指出的是：一味追求大视场角亦会适得其反。若屏幕过小，在大视场角下会显现屏幕边框；若屏幕分辨率过低，在大视场角下会出现明显的像素颗粒感。因而，要获得良好的沉浸感，需要各个参数的整体配合，目前主流VR设备的视场角控制在90度至120度之间。

（2）声音系统：除了视觉上的沉浸感，优秀的VR系统同样需要带来具有沉浸感的声音系统。立体全景声可以重现三维空间中各个方向上的声音信息，保留声音的运动轨迹，完整记录整个环境的声场。当用户在视觉上与环境互动时，听觉亦能相应配合，使画面的运动与声音的运动相一致，从而获得最真切的沉浸感。目前，大多数VR设备仍然依靠双声道耳机来完成声音的回放，远远无法实现声音的沉浸感。一些进阶音频录制与处理技术，如A3D的3D定位音效、杜比音效、人头录音（Dummy Head Recording）等，能够有效改善VR的声音系统，但由于成本原因，尚未广泛应用。

（3）运算单元：高速的运算能力是解决延时、刷新率等一系列问题的根本手段，强大的图形处理器（Graphics Processing Unit, GPU）是VR向高画质与高流畅度推进的必然要求，而且这种对处理能力的追求将永无止境。

（4）外形设计：在追溯VR技术的发展中，不难看出设备的小型化、轻便化、美观化是恒久的趋势。舒适美观、便于携带的VR设备才会成为用户的选择。