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虚拟现实:一场醒不来的梦 (上)

虚拟现实 门宇阔 2017-09-04

  你是否想过在火山口边缘观看流动的岩浆?在国际空间站中俯瞰蔚蓝的星球,在诺坎普球场与十万人一同嘶吼,与卡梅隆一起乘坐“深海挑战者”去探索人类认知的边界,或者想重返斯大林格勒,在隆隆的炮声中阻挡德军的铁蹄?

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  我们通过电影,新闻,图书或者别人的口述了解到这世界曾经发生过,或正在发生的精彩。但对于普通人来说,我们可能永远无法亲自体会这世界上最壮丽的场景和最震撼的时刻。

  随着技术的进步,信息的交流和呈现方式也在悄然发生着变化。VR(virtual reality),虚拟现实,这个曾经只存在于科幻小说中的东西如今已不再是幻想,如果说电脑是一扇窗,那么VR就是一扇门,让人们跨越时间和空间的阻碍,沉浸于一个别样的世界。

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  2016,VR全面爆发,投资者趋之若鹜,开发商不遗余力,消费者不明觉厉...无论是从业者还是消费者,都跟磕了药似的,觉得自己在创造历史,或见证历史。

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  而,仅仅一年之后,VR就陷入了沉默,它好像一个巨大的泡沫,在迅速膨胀后来到了临界点,瞬间崩塌。尘埃落定,我们不妨深下心来,看看VR发生了什么,它的技术达到了什么水平。这是一篇小的VR编年史,不是墓志铭,等VR翻开下一个篇章时,或许可以看看这段往事,以续前缘...

起源

  VR是最近两年才火的,但它的诞生比我们想象的要远很多,还要追溯到美苏冷战的年代。最早的VR是军事科研的产品,当初的初衷是为了提升士兵的训练效率,大兵带着一个眼镜,模拟出一个仿真的环境,训练士兵对不同场景的适应力。

  当时的理念和现在的电子游戏差不多,只是效果不可同日而语。如果你能熟练掌握《战地3》这种仿真游戏,给你一把SCAR-H你上手的也更快。

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  后来VR这东西被NASA学去,用来训练宇航员。从形态上来看,NASA的VR(1990年)和现在的VR差别不大,头显、耳机、位置跟踪器、数据手套一应俱全,只是体积更大更重,也更像是科学怪人的实验。

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  但在NASA的头显里,你只能看到一些简单的黑白3D模型,智能手机的诞生,让VR变得生动起来,但这里的问题是,你把手机贴在眼前,左眼只能看到手机左边画面,右眼看右边,而且无法聚焦。

  所以我们需要进行一些小改动,将手机进行分屏显示,一切为二,来保证两眼看到的画面相同;加2个远视镜片,把画面推远,确保你眼睛能对焦。于是,我们就得到下面这个设备,你转头,画面也跟着转,厉害不?

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  哦,当然,这种设备会漏光,我们还得参照NASA的设计,给它套一个盒子挡光。这,就是最简单的VR,也是Google推出的产品,Cardboard。9块9包邮,好评还送1元红包。

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  很多人觉得这货实在太low了,于是就有了改良版。它们材质更好,戴着更舒服,高端一点的可以调节近视度,手机放在眼前没法控制,于是还配个遥控器。

  这类产品统称VR盒子,在原理上和Cardboard没有任何区别,目前做的最好的是三星的Gear VR,已经来到了第四代产品(2016),售价100美元。

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  到这里可能你已经看明白了,盒子就是个工具,要实现好的效果,最重要的还是要看手机。手机有各种传感器,你站在天安门广场,往右能看到长安街,后转身能看到人民纪念碑。手机能否对你的扭头转身做出灵敏的反馈,并让你看到相应的内容,就是VR的重中之重。

  但正常人体验半个小时,就会觉得昏天晕地,恶心不已。

眩晕

  眩晕其实可以看成是身体的自我保护机制,它的成因有很多。

  1.由于手机本身传感器的限制(GPS,高度测量仪精度等),你的很多动作它不捉不到。你行走,景物不变,你蹦高,景物还是不变,这就出戏了。前庭器官也觉得不对劲,哎?人明明往前走了,为啥不动呢?眩晕产生,是让大脑能进一步查明情况。 

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  于是,带上VR盒子,就是画地为牢,只能看,不能动,而检测头部扭动的动作,就交给了手机的陀螺仪。

  2.人眼的视野大约是170度,VR里的视野普遍小于这个指标。另外,手机屏幕的分辨率也跟不上,一块1920×1080的屏幕,分屏后,单眼像素由1920变成960,加上离的近,看到像素点非常正常。

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  3.帧率:显示屏每秒能显示多少照片。这和电影是一个原理,早期的胶片电影就是一张张照片,一秒显示的越多,画面就越流畅。在VR里,情况更复杂,头显的帧率,游戏的帧率,主机能支持的帧率都有要求。

  4.画面延迟:你仰头看天,1秒后才看到白云,大脑就不干了。在众多的成因中,画面延迟是造成眩晕的罪魁祸首。VR行业里有个铁律,想让延迟不被察觉,画面和动作的延迟必须要控制在20ms(0.02秒)以内。这个数字非常吓人,但无奈我们的眼球过于灵敏,几千万年的进化可不是盖的。

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  传感器不好可以坐着,帧率和分辨率不够可以堆硬件,延迟怎么解决呢?我们先来看一下流程:一个转头的动作,手机内的陀螺仪要捕捉到这个动作,然后传给GPU,GPU渲染出视角更新后的画面,传给屏幕,让屏幕尽快刷新画面。

  这一套计算,一个旗舰智能手机大约需要200-300毫秒来完成,Oculus的传奇人物卡马克提出了一个方案,他在盒子里放入了一个高端陀螺仪,将刷新率从手机陀螺仪的60Hz提升到了1000Hz,每1ms就检测一次,并将手机的刷新率提升到75帧以上。

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  再通过名为ATW的软件算法(异步时间扭曲技术),在GPU性能不变的前提下,能让人眼觉得画面更流畅。这个算法大约需要13ms,另外手机还要对显示进行优化,来处理凸透镜带来的屏幕边缘变形,这又需要2ms的时间。但由于LCD屏幕的限制,刷新画面最快也需15ms。

  1+13+2+15,至此,整个步骤的耗时为31ms,和20ms相去甚远。

  但这不是没有办法,我们可以使用性能更好的GPU,或者更改屏幕的显示方式。GPU的迭代很慢,但AMOLED已经趋于成熟,它的反应时间极短,只有2ms,而且没有余晖效应,像素点亮的快,灭的也快(LCD面板每颗像素关闭后,都需要3-4ms的时间才能完全熄灭)。

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  当然20ms不是尽头,就像电影24帧每秒的规格一样,都是欺骗眼睛的最低标准。

  Oculus与三星共同开发了这套技术,打造了目前体验最好的Gear VR。前人栽树,后人乘凉,Google参照前者,顺势推出了一套从硬件到软件的标准规范,名为Daydream(白日梦)。厂家需要按照Google的标准,让手机配置达标,配合统一的开发平台,控制延迟,达到令人满意的体验效果。

  白日梦标准的提出有利于整治市场杂乱的状态,但目前支持它的手机和设备很少,而各个厂家又不想接入Google的内容平台,都想自己做内容生态,这和安卓市场如出一辙。

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  有的VR盒子不用手机,直接把芯片和屏幕集中到盒子里,这就是VR一体机。比如我们评测过的Pico VR,以及Facebook在做的一体机VR。

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  一体机的性能更好,同时也够便携,与VR盒子一起,我们统称为移动VR;与之相对应的,则是体积更大的主机VR。如果说VR盒子能看电影,玩扫雷和俄罗斯方块,一体机VR可以打王者荣耀了。但一体机内装的不是手机,没办法快速迭代,它又没有主机那富足的性能,因此一款VR一体机,也许在2年内就跟不上趟,它的配置可能无法支持最新的游戏和应用。

  一个简单的VR盒子,就能找到通往虚拟国度的兔子洞,但想要去探索更梦幻的世界,主机VR才是钥匙,我们将在下篇继续VR的故事。

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