2.1 VR技术的实现基础

目前对于应用和消费级的VR硬件设备来说，主要由以下几个部分构成：主机、VR头盔、定位器及控制手柄（见图2-1）。主机作为整个VR系统的核心，几乎承担着所有VR程序的运行和计算工作。对于现在市面上主流的VR硬件设备来说，主机一般为PC主机或游戏主机，这里我们就不做过多介绍了。下面我们主要针对VR系统特有的硬件部分进行讲解。

1.VR头盔

VR头盔是VR系统除主机外最为核心的硬件设备，用户在VR系统中沉浸式的虚拟体验主要通过VR头盔来实现。每个VR产品的头盔都是利用尖端科技精心设计和制作而成的，一般来说，VR头盔主要由透镜、显示屏、调节模块和芯片主板等部分组成（见图2-2），下面我们分别进行介绍。

透镜是VR头盔的重要元素之一，其作用是让用户的眼睛产生视觉错觉，让用户以为眼前是一片广阔的空间，而不是两英寸大的平面显示器。要做到这一点，透镜需要聚焦光线，让用户感觉显示器好像在无限远的距离之外。很多VR头盔都采用了特殊的透镜，通过使用薄的、圆形棱镜阵列，来实现与大块曲面透镜相同的效果。这些透镜还被用来放大头盔的内置显示屏，让图像占据用户的整个视野，这样用户就不会注意到屏幕的边缘了。

VR设备的透镜采用了菲涅耳透镜技术，我们先来介绍一下它的工作原理。人体眼睛瞳孔后有晶状体，而在眼睛的背面有感官器，可以将入射光转换成有用的可视的信息。晶状体将光折射到感官器，晶状体弯曲率取决于眼睛与物体的间距。如果物体距离近，晶状体就需要大幅弯曲，从而呈现清晰的图像；如果物体距离较远，则晶状体只需稍微弯曲即可。这就是为什么当你在电脑前长时间工作时，每间隔一小时就应该朝远方看看，这可以有效防止视觉疲劳，放松晶状体。想要看清距离我们眼睛3～7厘米的VR头盔内的事物，事实上是不容易的，这就需要借助菲涅耳透镜的作用。

如果眼睛注视着远方，则注视点是无限远的，也就意味着光线是平行的，晶状体处于休息状态。如果物体像一只苍蝇一样靠近你的眼睛，而你要一直看着它，则晶状体就会弯曲，光线平行状态就会被打破。如果想一直看着这只苍蝇，则所有从苍蝇身上发出的单一的光都需要聚焦在眼睛的一点上。如果苍蝇靠近你的眼睛太近，晶状体弹性不够，无法弯曲，眼睛就会失去焦点（见图2-3）。

这时候如果利用透镜，就能修正晶状体的光源的角度，使其重新被人眼读取。因为光束是从不同角度射到晶状体上的，所以会感觉眼睛与事物的距离较远，但事实上距离并没有那么远。为了让VR头盔的透镜能更薄、更轻，大多VR头盔使用了菲涅尔透镜，其与普通透镜的曲率一致，但其中一面刻录了大小不一的螺纹（见图2-4）。

使用菲涅尔透镜也意味着要做出一定的牺牲，虽然可以制作出多螺纹透镜，从而能看到更清晰的图像，但是光线始终无法聚焦在一点上，曲率也总是不正确的；也可以使用螺纹较少的菲涅尔透镜，有助于光束集中和提高对比度，但图像的清晰度会受损，这也是目前VR头盔无法避免的问题。

在透镜的背后就是VR头盔的显示屏，VR头盔的显示屏必须具有足够的像素密度来显示清晰的图像，并且速度要足够快，这样 VR 中的运动画面才会流畅平滑。HTC Vive和Oculus Rift都采用了两块分辨率为1080px×1200px的显示屏，一只眼睛对应一块，它们可以以每秒90帧的速度显示图像，为用户提供平滑流畅的运动画面，以及宽广的110°的可视角度，可以覆盖用户视野范围的绝大部分。另外，一些VR头盔利用手机屏幕作为VR显示屏，例如三星的Gear VR，这样虽然可以降低硬件成本并具备无线传输的效果，但是却牺牲了图像的视野和图形保真度。

下面来简单介绍一下VR头盔的3D成像原理。人的双眼在正常情况下各自看到的视觉成像是略微不同的，我们可以尝试先单睁左眼，然后单睁右眼，让头部保持不动，不停地对比两只眼睛看到物体的角度和视野范围。VR头盔的3D图像效果就是根据这个原理，通过技术手段，让两只眼睛看到不同的视觉图像，让其在角度上和视野范围内符合人眼自然观看的结果，以此营造出眼前的立体感。

早期的3D效果是通过红蓝光镜片来实现的，将左眼和右眼看到的图像分离，屏幕上显示的是两个颜色叠加的图像（见图2-5）。这种技术会使图像产生色差。现在电影院普遍采用的是偏振技术，使用偏振原理将左右眼的成像进行过滤。偏振技术的3D效果是目前常见3D技术中效果最好的，唯一的缺点是偏振镜片会过滤掉一半的光线，使图像看起来偏暗。

VR头盔的3D成像原理与上面介绍的基本相同，实现起来也更容易，因为VR头盔本身就有两个显示屏，可以将左眼图像和右眼图像直接分开显示。图2-6所示就是VR头盔中两只眼睛看到的不同影像。

除透镜和显示屏外，一般来说VR头盔都具备调节模块。调节模块主要用来调节人眼与VR头盔的匹配程度，就如同近视眼镜一样，每个人的眼睛都有各自不同的屈光度和瞳距。所以，VR头盔中镜片的位置必须是可调的，以便根据我们眼睛的瞳距来提供正确的3D效果。有些VR头盔还使用了混合菲涅尔透镜，这种透镜具有变焦调节功能，可以通过向上或向下移动头盔来调整焦距，找到最佳视觉位置。

除此以外，很多 VR 头盔还内置了耳机和隐藏式麦克风。耳机可以产生 3D 音频，这样游戏就可以添加相对于你的位置的音频提示，让你可以听到好像来自后面、上面，甚至下面的声音。隐藏式麦克风可以给游戏开发者提供更多的选择，在游戏中添加更多的沉浸式功能。当使用麦克风时，游戏可以检测你在隐形游戏中产生的噪声量，或者把它作为在VR中进行语音交流的方法。

2.定位器

为了让VR头盔中的屏幕显示精确的画面，当你环顾周围时，头盔必须以亚毫米级的精度跟踪你的头部运动。这是通过各种内置传感器来实现的。有了这些传感器提供的各种数据，头盔就可以实现真正的“六自由度”（物体在空间中具有六个方向自由度，即沿 x、y、z 三个直角坐标轴方向的移动和绕这三个坐标轴的转动自由度），让头盔可以跟随头部做出的任何运动。通常来说，VR头盔中必要的传感器主要有以下几种。

（1）磁力计：可以测量地球的磁场，因此总知道“磁北”在哪个方向。这样就可以确保它指向的是正确的方向，防止出现“偏移”错误，即以为头盔朝着某一个方向时，其实却朝着另一个方向。

（2）加速度计：其有多种用途，一种是检测重力，让头盔知道上方是哪个方向。智能手机自动转换横竖屏，靠的就是加速度计。另一种用途正如它的名字所说，它可以测量沿某个轴的加速度，因此它能提供有用的数据，让头盔知道一个对象运动的速度。

（3）陀螺仪：可以捕捉头盔沿某个轴的微小偏移（例如稍微倾斜头部或点头的时候），来提供更精确的物体旋转信息。

市面上主流的VR头盔如Oculus Rift和HTC Vive都使用红外激光来跟踪头盔的移动，但各有各的方法。Oculus Rift使用的是放在办公桌上的“星座”（Constellation）红外摄像头（见图2-7），跟踪Oculus Rift头盔前后都有的红外发射器。如果使用Oculus Touch 控制器，则还需要另外再配一个摄像头，以避免在跟踪头盔和控制器上的红外灯时出现混淆。每个传感器都是单独跟踪的，计算机收集所有信息来渲染画面，让用户在任何时候从任何角度看到的图像都是正确的。所有这一切几乎都需要立即完成，这意味着每个红外传感器的坐标被立即捕获和处理，图像也就马上显示出来，几乎没有滞后。

HTC Vive使用的是“灯塔”（Lighthouse）红外发射器（见图2-8），它被放置在游戏空间的角落里，可以快速发射激光，扫过房间，HTC Vive上的红外传感器捕捉到它，并对其在一个空间内的位置进行测量。这个系统的工作原理类似于Oculus Rift，但本质上它把“灯塔”作为发射器，把头盔作为摄像头，角色刚好相反。HTC Vive头盔除有“灯塔”红外跟踪系统外，还有一个前置摄像头，它可以使用“伴侣”系统来帮助检测用户是否离开了游戏空间的边界。当用户快要撞上墙壁或家具时，HTC Vive可以巧妙地给其发送视觉提示，让用户知道自己已经处于VR空间的边缘。

三星Gear VR没有采用更先进的红外跟踪方法，而是使用了惯性测量单元（IMU），它是集磁力计、加速度计和陀螺仪为一体的“多合一”设备。与大多数智能手机不同的是，这个IMU是专门用来减少滞后现象和改善头部跟踪性能的。

3.控制手柄

现在主流的VR硬件设备都有无线运动控制器，也就是我们通常所说的控制手柄，通过控制手柄可以让用户与3D空间中的物体进行充分交互，从而增强沉浸感。像VR头盔一样，每个控制器都配备了磁力计、加速度计、陀螺仪及红外传感器，对运动进行亚毫米级别的精度跟踪。各种VR硬件设备的控制手柄如图2-9所示。

在图2-9中，最左侧为HTC Vive的控制手柄，其形状有些像头重脚轻的哑铃，顶端采取了横向的空心圆环设计，上面布满了用于定位的凹孔。持握时拇指方向有一个可供触控的圆形面板，而食指方向则有两阶扳机。这款产品在满电状态下可以独立运行4个小时，已经能够满足基本的使用需求。

出色的定位能力是HTC Vive控制手柄的撒手锏之一，Lighthouse（灯塔）技术的引入能够将定位误差缩小到亚毫米级别，而激光定位也无疑是排除遮挡问题的最好解决方案。房间对角的两个发射器通过垂直和横向扫描，就能构建出一个“感应空间”。而设备顶端的诸多光敏传感器，则能帮助计算单元重建一个手柄的三维模型。