虚拟现实技术：解析房间式与固定式体验

2023-10-18 理论教育版权反馈

【摘要】：而另一头的固定式VR也恰如其名,在体验过程中,用户要在同一个位置保持姿势基本不变,无论是坐着还是站着。目前,较高端的VR设备已可实现房间式的体验,而基于移动设备的低端产品则不行。由于用户的动作经捕捉后可以导入身处的数字环境,因此,房间式的VR体验比固定式的更加身临其境。其实,房间式的YR体验往往存在这种情况,用户需要移动的距离远远超过真实空间所能容纳的范围。而在固定式的YR体验中,这个问题很容易解决。

房间式VR允许用户在游戏区域内随意移动,他们在真实空间中的动作会被捕捉并导入数字环境中。要实现这一点,第一代VR产品需要配备额外的设备来监控用户在3D空间中的动作,如红外感应器或摄像头。想在水下漫步,与鱼群共泳吗?想在虚拟宇宙飞船的甲板上,边爬边追你的机器狗吗?想四处走走,一点一点地探索Michelangelo’s David雕塑作品的3D模型吗?只要我们身处的空间够大,就可以在房间式的VR体验中做到这一切。

第一代VR产品大都需要外部设备来提供房间式的VR体验,但在许多具备内置式外侦型跟踪功能的第二代设备上,这种情况正在迅速发生变化。本章后面将进行讨论。

而另一头的固定式VR也恰如其名,在体验过程中,用户要在同一个位置保持姿势基本不变,无论是坐着还是站着。目前,较高端的VR设备(如Vive、Rift和Windows Mixed Reality)已可实现房间式的体验,而基于移动设备的低端产品则不行。

由于用户的动作经捕捉后可以导入身处的数字环境,因此,房间式的VR体验比固定式的更加身临其境。如果用户想在虚拟世界中穿过某个房间,只需在真实世界穿过相应的房间即可。如果想在虚拟世界中钻到桌子下面去,也只需在真实世界中蹲下来,然后钻进去。在固定式的VR体验中,做同样的动作需要借助操纵杆或类似的硬件才行,这会使用户体验中断,导致沉浸感大大弱化。在真实世界里,我们靠在实际空间中的移动来感受“真实”;而在VR世界里,要实现同等程度的“真实”感还有很长的路要走。

房间式的VR也不是没有自己的缺点。如果用户希望在漫游虚拟世界时不会碰到真实世界中的障碍,那么就需要在真实世界里划定足够大的空间给VR用。尽管开发人员在解决空间不足问题时有很多技巧,但对于大多数用户来说,拥有专用于VR空间的整个房间是不切实际的。

为了标出真实世界中存在的障碍,防止用户撞上门或墙,房间式数字体验也需要设置相应的屏障,在虚拟世界中划定真实世界中的界限。

如图2-1-10所示,说明了HTC Vive目前解决这个问题的思路。当用户过于靠近真实世界中的障碍(需要在设置虚拟房间的时候定义)时,虚线绘成的“全息墙”会向用户发出障碍物警告。这个解决方案并不完美,但考虑到在VR世界里移动所面临的巨大挑战,这一代VR头显能做到这一点,已经很好了。也许再过几代,YR头显就能够自动检测真实世界中的障碍,并在虚拟世界中把它们标记出来。其实,房间式的YR体验往往存在这种情况,用户需要移动的距离远远超过真实空间所能容纳的范围。而在固定式的YR体验中,这个问题很容易解决。由于用户不能随意移动,所以,要么把整个体验过程设计成在一个固定的地方,要么就采用不同的运动方法来代替(如使用控制器来移动游戏中的角色)。房间式VR还有一系列其他问题。用户在虚拟世界是可以到处跑的,可是距离要受真实空间的限制。有些玩家拥有20英尺(约6.1m)的真实空间用于VR世界中的行走。而有些玩家的活动区域就局促多了,也许只有7英尺(约2.1m)。VR的开发人员现在面临着艰难的选择,究竟应该如何做才能满足用户在两个世界中的活动需求?如果用户需要稍微突破一下在真实空间中设定的边界会发生什么事?如果想出去逛逛呢?如果想跑得很远呢?

pagenumber_ebook=35,pagenumber_book=28

图2-1-10　HTC Vive的“全息墙”边界

若是用户只是从房间的这头走到那头拿东西,在房间式的VR环境里,只需简单地朝那个东西走过去。但如果要走很远的距离,问题就来了。面对这些情况,开发人员就得清楚,什么时候应该让用户在真实空间中朝近处物体移动,什么时候应该帮助他们够得着更远处的东西。这些问题其实最终都会解决的,只不过VR目前还处于发展的相对早期阶段,如何才能解决好这些问题,开发人员仍在探索。

(一)触觉反馈

“触觉反馈”　(Haptic feedback)能向终端用户提供触觉方面的感受,目前已有多款VR控制器内置触觉反馈功能。Xbox One的控制器、HTC Vive的摇杆和Oculus Touch的控制器都有颤动或振动模式可以选择,为用户提供与故事情节有关的触觉信息:你正在捡起一件物品;你正在按按钮;你关上了一道门。但是这些控制器能提供的反馈相当有限。与手机收到消息提示发出的振动差不多。尽管有一点反馈总比一点反馈都没有要好些,但业界还是需要大幅度提高触觉反馈的水平,在虚拟世界内真正实现对现实世界的模拟。也确实有多家公司正在研究解决VR中的触觉问题。

Go Touch VR研发了一种触控系统,可以戴在一根甚至数根手指上,在虚拟世界中模拟出真实的触感。说起来这只不过是一种绑在手指末端并用不同大小的力量按压指尖的装置。但Go Touch VR宣称它拥有惊人的逼真度,就像真的拿起某个东西一样。

包括Tactical Haptics在内的另外一些公司也正在设法解决控制器内的触觉反馈问题。它们研发的Reactive Grip控制器,表层内置了一套滑块,据说能够模拟出触碰真实物体时感觉到的摩擦力。在网球击中球拍那一瞬间,你会在手柄上感觉到球拍向下的冲击力;移动重物时,你会感觉到比移动轻的东西更大的阻力;画画时,你会体会到画笔在纸或画布上移动时的拖曳感。Tactical Haptics声称,与市面上大多数只能实现振动的同类产品比起来,他们的作品可以更精确地模拟上述场景。

在VR触觉领域走得更远的是HaptX和bHaptics等公司,它们研发了全套触觉手套、背心、衣服和外骨骼。bHaptics目前还在研究无线的Tact-Suit(战术套装)。这套装具包含触觉面具、触觉背心和触觉袖子。振动元件由偏心旋转质量振动电机驱动,分布在面部、背心正反面还有袖内。根据bHaptics的说法,这套装具可以给用户带来更细腻的沉浸式体验,“感受”爆炸的冲击力、武器的后坐力,还有胸部被击打时的碰撞力。HaptX也是努力把VR触觉反馈做到最极致的公司之一,主要工作是研制各种智能纺织品,能让用户感觉到物体的质地、温度和形状。目前,HaptX正在做的是一种触觉手套的原型,能够将虚拟世界中的触觉在现实中逼真地反馈出来。市场上的大多数触觉反馈硬件只能够简单地振动,而HaptX能做到的远远不止这些。该公司发明了一种纺织品,通过嵌入式微流体空气管道刺激终端用户的皮肤,可以实现力反馈效果。

HaptX公司声称自家的技术比那些只能振动的设备带来的体验要出色得多。结合VR的视觉效果,能让用户体验到更为彻底的真实感。HaptX公司那种能覆盖全身的触觉反馈技术,才是真正的VR。如图2-1-11所示,是HaptX公司最新的VR手套。

pagenumber_ebook=37,pagenumber_book=30

图2-1-11　HaptX VR手套

(二)内置式外侦型跟踪技术(www.chuimin.cn)

目前,只有高端的消费级头显能提供房间式的VR体验。这些高端设备通常需要通过线缆与计算机连接,这样当用户在房间范围内移动时,很容易踩到线缆,看起来很笨拙。线缆问题一般包含两个方面:头显内部的显示屏需要接线;跟踪装置在真实空间中的运动轨迹同样需要接线。

厂商们一直致力于解决第一个问题,所以许多第二代VR产品已经采用了无线方案。与此同时,包括Display Link和TPCast在内的多家公司也在研究如何用无线方式将视频流传输到头显。

至于跟踪问题,Vive和Rift目前的外置式内侦型跟踪技术(Outsidein Tracking)有很大的局限性,不管是头显还是控制器,都需要通过外部设备来完成跟踪。它们需要在用户的移动范围周围放置其他硬件(Rift称为“感应器”,Vive称为“灯塔”)。这些感应器与头显本身是分开的。只有将它们放置在虚拟房间的周围,才能在3D空间中极为精确地跟踪用户的头显和控制器,但这样一来,用户就只能在感应器的有效范围内移动。一旦超出这个范围,跟踪就会失败。

如图2-1-12所示,是第一代HTC Vive的设置界面,要求用户在跟踪范围的四周安装“灯塔”。然后拖动控制器沿着可用的活动区域(必须在灯塔的侦测范围内)四周划定“可玩”区。这个步骤就是为了设定用户可移动的范围。第一代房间式VR头显大都采用了类似的方式解决这个问题。

pagenumber_ebook=38,pagenumber_book=31

图2-1-12　HTC Vive“房间”的设置

相比之下,内置式外侦型跟踪技术(Inside-out Tracking)的做法是将感应装置设在头显的内部,取消了外部感应器。这种技术依靠头显分析处理从真实环境采集到的纵深和加速度数据,协调用户在VR环境中的动作。Windows Mixed Reality目前使用的就是内置式外侦型跟踪技术。

内置式外侦型跟踪技术始终是虚拟现实世界的神器,无须外部感应器意味着用户的移动范围不再受限于某个小区域。但是,就像任何一种技术选择一样,这需要付出代价。目前,内置式外侦型跟踪技术除了不够精确以外,还有其他一些缺点,例如,控制器如果移动到超出头显控制范围太远的地方就会掉线。当然,厂商们正在集中资源解决这些问题,许多第二代头显已开始使用这种技术来跟踪用户的动作。只不过有了这种技术并不意味着“可玩”区的概念成为历史。对用户而言,还是需要用某种方法来设定自己的活动区。我们要明白这样一件事,取消外置式感应器已经是下一代VR技术的一大飞跃。

在第一代VR头显中,即使是高端产品也大都需要连接计算机或外部感应器,但厂商们正在想方设法解决这些问题。像VOID这样的公司已经有了自己的创新解决方案,从中可以一窥完全独立的VR头显可以带来什么样的体验。这家公司的研究重点是“定位”,按他们自己的说法,他们为用户提供的是“超现实”　(Hyper-reality),意思就是用户能以某种现实世界中的方式与虚拟世界中的事物互动。

这种黑科技的关键是VOID公司研发的背包式VR系统。有了背包、头显和虚拟枪,VOID的系统就有能力绘制出相当于整个仓库那么大的真实空间,然后用虚拟要素逐一覆盖。无限可能因此诞生。比如,VOID可以把现实世界普普通通的一扇门绘制成沾满黏液、爬着葡萄藤的虚拟门;一个毫不起眼的灰色盒子也可以变成一盏古老的油灯,照亮玩家在虚拟世界中的道路。

VOID目前这种背包模式在大众消费领域可能不会成功。对广大消费者来说,这东西既麻烦又昂贵,用起来也太复杂了。但是,VOID研发的定位技术效果非常棒,从中我们也可以了解,一旦VR从线缆的束缚中解放出来,能爆发出何等惊人的沉浸体验。

Vive和Rift似乎都在准备推出无线头显。另外,HTC Vive Focus(已经在中国发布)和Oculus即将推出的Santa Cruz,其开发人员套件都采用了内置式外侦型跟踪技术。

(三)音频

为了尽可能完美地模拟现实,只考虑视觉和触觉是不够的。嗅觉和味觉的模拟的普及(也许真的很幸运)离大规模消费者恐怕还早得很,但3D音频已经面世了。听觉对于创造逼真的体验极为重要。如果音视频协调得好,则能为用户带来存在感和空间感,有助于建立“就在现场”的感觉。在整个VR体验过程中,能让人判断方位的音视频信号对用户至关重要。

人类的听觉本身就是三维的,我们能辨别3D空间中声音的方向,能判断自己距离声源大概有多远,等等。模拟出这样的效果对用户来说很重要,要让用户感觉就像在现实世界中听声音一样。3D音频的模拟已经存在相当一段时间了,而且实用性没有任何问题。随着VR的兴起,3D音频技术找到了可以推动自己(也推动VR)进一步发展的新战场。

目前的大多数头显(即使是Google Cardboard这样的低端设备)也都支持空间音频(译注:Spatial Audio指全方位的声音信息)。人类的耳朵位于头部相对的两侧,空间音频很清楚这一点,也因此对声音做出了恰当的调整。来自右侧的声音将延迟到达用户的左耳(因为声波传播到远端那只耳朵所花的时间要稍微多一点)。在空间音频发明之前,应用程序只能简单地在左扬声器播放左侧的声音,右边亦然,两者之间交叉淡入淡出。

标准的立体声录音有两个不同的音频信号通道,用两台间隔开的麦克风录制。这种录制方法制造出的空间感很松散,声音会在两个声道之间滑动。“双声道”　(Binaural)录音技术,指使用能模拟人类头部形状的特制麦克风创建的两个声道的录音。这种技术可以通过耳机实现极为逼真的回放效果。利用双声道录音技术来制作VR中的现场音频,可以为终端用户带来非常真实的体验。

不要忘了,不管是空间音频还是双声道录音,都有一个缺陷:体验其3D效果离不开耳机。对于大多数VR头显而言,配备耳机是很正常的事,虽然这并不意味着没有它就卖不出去,但在评价一副VR头显的好坏时,买家肯定会把有没有耳机考虑进去。

虚拟现实技术：解析房间式与固定式体验

相关推荐