【译】VR设备究竟是如何工作的

发表于2016-12-28
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       虚拟现实可能看起来更像是一种黑魔法,但事实上每个虚拟现实设备都是一个精心设计的产品,其混合尖端的科技与不少聪明的设计技巧,旨在使你忘记除了屏幕上的一切。 接下来我们分析这些设备的工作原理,并看看有着良好体验的虚拟现实的各个组件。

       透镜

       透镜是使虚拟现实令人信服的最重要元素之一。 这些镜头愚弄着你的双眼,是你认为自己正在看着一个广阔的空间,而不是两英寸远的平面显示器。 透镜通过聚焦光线使显示器的内容看起来像是无限远。

       许多头戴设备选择使用一种特殊的菲涅尔透镜,这种透镜使用薄的圆形棱镜阵列,却实现与更厚、更大弯曲度的透镜同样的效果。 这种特殊透镜还放大了头戴设备的内置显示器,让您不会察觉到屏幕的边缘,使成像包含整个视野。

      显示

       高性能显示器是使虚拟现实具有信服力的另一个重要因素。其必须有一个高像素密度来清晰地显示图像,同时需要一个足够快的速度,使VR中的运动显得平滑。

       无论是HTC Vive还是Oculus,两者都配备了两个1080x1200分辨率的显示器,每个显示器的帧率保持在90,保证用户的显示平滑。 

       高端设备例如任天堂3ds使用双屏幕来创建一个3D立体效果。每个屏幕显示一个稍微偏移的图像,我们的大脑将其连接成一个整体的图像,在创建过程中形成深度错觉。

       三星Gear VR提供了一个低成本的入口点,就是通过使用智能手机作为显示,但是牺牲了一个真正的设备的视野和图形保真度。它的两个可替换透镜是在这个实例中创建立体图像的。

       聚焦调整

      因为每个人瞳孔间的距离(称为瞳距)都不同,为了使眼睛间距达到适当的3D立体效选项,必须包含调整镜头功能。

       Oculus Rift也动态混合菲涅耳透镜,通过镜头形成可变的焦点,让你把设备向上或向下移动时调整的焦点和最佳点。

       位置传感器

       为了精确地显示图像,当你环顾四周时,头戴设备跟踪你的头部的运动准确度能达亚毫米级这是通过各种内置传感器实现的。 有了所有这些传感器的数据,头戴设备可以实现真正的“六自由度”,头戴设备能做到跟踪每个可想象的运动。

       磁力计能测量地球的磁场,以便总是知道哪里是“北”。 通过这个检测,其总是可以确保指向正确的方向,防止设备认为面向一个方向但实际却反了的这种“漂移”错误。

       加速度计有几个用途,例如检测重力,知道上方是哪个方向。最常见像旋转智能手机或调整屏幕时,设备能自动调整新的方向。正如他们的名字所暗示,加速度计也可以测量轴向加速度,并提供用于对象移动速度的有用数据

       陀螺仪通过跟踪轴向的微妙偏移来精细地测量物体的旋转,例如头部的稍微倾斜或点头。

       三星Gear VR放弃了更先进的红外跟踪法转而使用惯性测量单元(IMU),这是一个使用磁力计、加速度计和陀螺仪的一体化设备。 与大多数智能手机不同,该IMU专门用于减少滞后和改善头部跟踪性能。

       红外跟踪

       Oculus Rift和HTC Vive都使用红外激光来跟踪设备的运动,但都有各自的一套方法。

       Oculus使用坐落在桌面上的“星座”红外摄像机,这是一种跟踪Oculus Rift正面和背面上的闪烁红外灯。 如果使用Oculus Touch控制器,需要多一台摄像机,以防止在跟踪头戴设备和控制器上的灯光时发生混淆。 每个传感器会单独跟踪,计算机通过收集到的所有信息,渲染位置适合你当前位置所看到的图像。 所有这些工作几乎立即完成,这意味着每个红外传感器的坐标被捕获,处理和显示图像之间几乎没有滞后。

       HTC Vive使用“灯塔”红外发射器,这种放置在游戏空间的角落并能迅速扫描空间的红外传感器能拿着并使用三角测量它在空间的位置。 系统的工作原理类似于Oculus,但本质上通过使灯塔能切换设备作为发射器、头戴设备和相机的角色。

       伴侣系统

       除了Vive的“灯塔”红外跟踪系统,头戴设备具有前向摄像头,这个摄像头使用了帮助检测你是否离开游戏空间的边界的“伴侣”系统。 这样,如果你要进入墙壁或家具,Vive可以巧妙地给你视觉提示,让你知道你已经到达可视空间的边缘。

       控制器

       Rift和Vive都有无线运动控制器,让你与3D空间中的物体进行交互,可以增强沉浸感。

       和头戴设备一样,每个控制器都有磁力计,加速度计、陀螺仪以及红外传感器,并以亚毫米级的精度跟踪它们的移动。

       音频

       许多头戴设备的内置耳机能够产生3D音频。 这可以让游戏创建相对于你所在位置的音频提示,听起来像在你的后面,上面,甚至下面。

       隐藏的麦克风给予游戏开发者更多的选择,在游戏中构建更多身临其境的功能。 使用麦克风可以检测您在游戏中产生的噪音量,或者仅仅使用它作为虚拟现实中的语音通信方法。

       电线

       虽然有些设备如三星Gear VR是完全无线的,但Vive和Rift都需要用电线连接头戴设备到计算机,以便以90帧每秒的速度传输显示高清图像所需的所有数据和电源。 如果坐着使用头戴设备和游戏手柄,电线不是一个大问题,但当在房间规模的移动VR设备时,电线就可能成为一个妨碍。

       计算机

       说到这里正是神奇之处。 所有的位置数据会被发送到计算机,然年被馈送到游戏中,并且图像形式呈现和发送回头戴设备的内部显示。

       对于三星的Gear VR和其他无线VR设置,计算机在头戴设备内部,在有些情况下的Gear VR,智能手机是安装在头戴设备内作为显示器和计算机。

翻译自< http://www.ign.com/articles/2016/10/10/how-vr-headsets-actually-work?page=1 >

已获得作者翻译授权。

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