揭秘VR頭盔工作原理,原來是這樣工作的

　　一個透鏡，一些傳感器，以及其他一些東西，它們是怎樣把你「瞬移」到一個奇妙新世界的？

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/367819.htm

　　VR看起來可能有點像是黑魔法，但事實上，每個頭盔都是精心設計的產品，是尖端的科技與奇思妙想的融合，旨在讓你忘記凡塵瑣事，一心專注在屏幕呈現的VR世界中。以下是對頭盔工作原理的分解介紹，這些組件合在一起，提供了令人信服的VR體驗。

　　透鏡

　　

　　透鏡是最重要的元素之一。透鏡旨在愚弄你的眼睛，讓你以為面前是一片廣闊的空間，而不是兩英寸大的平面顯示器。要做到這一點，透鏡需要聚焦光線，讓你感覺顯示器好像在無限遠的距離之外。

　　很多頭盔都採用了特殊的菲涅耳透鏡，通過使用薄的、圓形稜鏡陣列，來實現與大塊曲面透鏡相同的效果。這些透鏡還被用來放大頭盔的內置顯示屏，讓圖像佔據你的整個視野，這樣你就不會注意到屏幕的邊緣了。

　　顯示屏

　　高性能顯示器，是讓VR具有說服力的另一個重要因素。它們必須具有足夠的像素密度來顯示清晰的圖像，並且速度要足夠快，這樣VR中的運動畫面才會流暢平滑。

　　HTC Vive和Oculus都採用了兩塊1080x1200顯示屏，一隻眼睛對應一塊，它們可以以每秒90幀的速度顯示圖像——為用戶提供平滑流暢的運動畫面，以及寬廣的110度的可視角度，可以覆蓋你視野範圍的很大一部分。

　　高端頭盔還使用雙屏幕來提供類似於任天堂3DS的立體3D效果。每塊屏幕對每隻眼睛顯示一幅略微偏移的圖像，然後我們的大腦會自動把它們「粘合」在一起成為一幅圖像，並在這個過程中產生一種和深度有關的錯覺。

　　三星Gear VR把智慧型手機作為顯示屏來使用，為了保持成本低廉和「無線」效果，犧牲了視野和圖形保真度。在這種情況下，創建立體圖像的工作是由兩個可替換透鏡來完成的。

　　焦點調試

　　因為每個人兩個瞳孔中心之間的距離（也就是你去配眼鏡的時候，需要測量的瞳距）是不同的，所以頭盔中鏡片的位置必須是可調的，以便根據我們的瞳距來提供正確的立體3D效果。

　　

　　Oculus Rift還使用了混合菲涅爾透鏡，這種透鏡具有可變的聚焦水平，你可以通過向上或向下移動頭盔來調整焦距，找到最佳位置。

　　位置傳感器

　　為了顯示精確的畫面，當你環顧周圍時，頭盔必須以亞毫米級的精度跟蹤你的頭部運動。這是通過各種內置傳感器來實現的。有了這些傳感器提供的各種數據，頭盔就可以實現真正的「六自由度」，跟蹤頭盔可以跟隨頭部做出的任何運動。（註：物體在空間具有六個自由度，即沿x、y、z三個直角坐標軸方向的移動自由度和繞這三個坐標軸的轉動自由度。）

　　磁力計可以測量地球的磁場，因此總是知道「磁北」在哪個方向。這樣就可以確保它指向的是正確的方向，防止出現「偏移」錯誤——即頭盔以為自己朝著某一個方向時，其實朝著的卻是另一個方向。

　　加速度計有幾個用途，一個是檢測重力，讓頭盔知道上方是哪個方向。智慧型手機自動轉換橫豎屏，靠的就是加速度計。而且正如它的名字所說，它可以測量沿著一個軸的加速度，因此它能提供有用的數據，讓頭盔知道一個對象運動的速度。

　　陀螺儀可以跟蹤沿著一條軸的微小偏移（例如你稍微傾斜頭部或點頭的時候），來提供更精確的物體旋轉信息。

　　三星Gear VR沒有採用更先進的紅外跟蹤方法，而是使用了慣性測量單元（IMU），它是集磁力計、加速度計和陀螺儀為一體的「多合一」設備。與大多數智慧型手機不同的是，這個IMU是專門用來減少滯後現象和改善頭部跟蹤性能的。

　　紅外跟蹤

　　Oculus Rift和HTC Vive都使用紅外雷射來跟蹤頭盔的移動，但各有各的方法。

　　Oculus使用的是放在辦公桌上的「星座」（ConstellaTIon）紅外攝像頭，跟蹤Oculus Rift頭盔前後都有的紅外發射器。如果使用Oculus Touch控制器，你還需要另外再配一個攝像頭，以避免在跟蹤頭盔和控制器上的紅外燈時出現混淆。每個傳感器都是單獨跟蹤的，計算機收集所有信息來渲染畫面，讓你在任何時候從任何角度看的圖像都是正確的。所有這一切幾乎都需要立即完成，這意味著每個紅外傳感器的坐標被立即捕獲和處理，圖像也就馬上顯示出來，幾乎沒有滯後。

　　HTC Vive使用的是「燈塔」（Lighthouse）紅外發射器，它被放置在遊戲空間的角落裡，可以快速發射雷射，掃過房間。Vive上的紅外傳感器捕捉到它，並對其在一個空間內的位置進行測量。這個系統的工作原理類似於Oculus，但本質上它是把「燈塔」作為了發射器，把頭盔作為了攝像頭，角色剛好反了過來。

　　伴侶系統

　　Vive頭盔除了有「燈塔」紅外跟蹤系統之外，還有一個前置攝像頭，它可以使用「伴侶」系統，來幫助檢測你是否離開了遊戲空間的邊界。因此，如果你快要撞上牆壁或家具了，Vive就可以巧妙地給你發送視覺提示，讓你知道自己已經到達了VR空間的邊緣。

　　控制器

　　Rift和Vive都有無線運動控制器，讓你與3D空間中的物體進行充分交互，從而增強沉浸感。

　　像頭盔一樣，每個控制器都配備了磁力計、加速度計和陀螺儀以及紅外傳感器，對運動進行亞毫米級的精度跟蹤。

　　音頻

　　很多頭盔內置了耳機，可以產生3D音頻。這樣遊戲就可以添加相對於你的位置的音頻提示，讓你可以聽到好像是來自後面、上面，甚至下面的聲音。

　　隱藏的麥克風可以給遊戲開發者提供更多的選擇，在遊戲中添加更多的沉浸式功能。使用麥克風，遊戲可以檢測你在隱形遊戲中產生的噪音量，或者把它作為在VR中進行語音交流的方法。

　　線材

　　雖然有些VR設備（比如三星Gear VR）是完全無線的，但Vive和Rift都需要用線材將頭盔連接到計算機上，以便傳輸數據和電能，讓顯示屏以90幀/秒的速度顯示高清圖像。如果你是坐著使用頭盔和遊戲手柄，那沒有什麼問題，但當你在室內走動時，線材確實可能會變得礙手礙腳。

　　計算機

　　VR這種黑魔法真正發生的地方其實是在計算機裡。所有的位置跟蹤數據都被發送到了計算機上，輸入到了遊戲中，然後它再對圖像進行渲染，發送到頭盔上顯示出來。

　　對於三星Gear VR和其他無線VR頭盔來說，計算機被放在了頭盔內部，比如在Gear VR上，智慧型手機不僅扮演了顯示屏的角色，而且還承擔了處理器的任務。（Kathy參與編譯）