【元宇宙】显微镜下的虚拟现实：你尚未注意到的革命

虚拟现实早已从科幻小说的领域走向日常生活，为用户提供身临其境的数字世界体验，如同沃卓斯基兄弟的电影《黑客帝国》。纵观其发展历程，虚拟现实一直依赖于科技进步的整体发展，如今已臻完美，不仅能带来令人惊叹的效果，还能应用于实际或创意领域。本文将探讨创造这一“幻觉的胜利”所不可或缺的关键技术。

01

从立体镜到Apple Vision

虚拟现实的历史可以追溯到19世纪，当时第一批能够创造深度幻觉的设备问世。1838年，查尔斯·惠斯通发明了立体镜，它利用从不同角度拍摄的两幅图像，分别呈现给每只眼睛，从而产生三维效果。这项发明成为了摄影和电影的基础。

20世纪30年代，科学家们尝试使用机械模拟器（例如Link Trainer）来训练飞行员，这种模拟器可以模拟飞行，但不会造成真正的风险。 二战期间，它曾用于训练超过50万名美国飞行员。

转折点出现在20世纪60年代。计算机图形学先驱伊凡·萨瑟兰（Ivan Sutherland）于1968年发明了第一台头戴式显示器（HMD）——“达摩克利斯之剑”。这个笨重的设备悬挂在天花板上，显示简单的网格状表面。

20 世纪 80 年代，美国国家航空航天局 (NASA) 和军方开发了用于模拟的 VR 技术，并在 80 年代末 90 年代初首次出现了商业尝试。Virtuality 发布了配备 VR 头盔的街机，世嘉也宣布将为 Genesis 游戏机推出 Sega VR，但由于技术问题，该项目最终被取消。

科技启发了电影业。1992年，根据斯蒂芬·金小说改编的电影《割草机》在科技的影响下上映。但几十年来，硬件设备一直无法让我们谈论科技的“丰满”。

任天堂1995年发布的Virtual Boy产品在各方面都彻底失败了。它是一款笨重的眼镜式游戏机，内置显示屏，并配有传统的游戏摇杆。由于太重，它甚至配备了一个特制的支架。同时，它内部的显示屏是单色的，即使在当时，其图形效果也非常原始。尽管如此，任天堂还是为这款游戏机发行了22款游戏。

VR 在 2010 年代蓬勃发展，Oculus 创始人帕尔默·拉基 (Palmer Luckey) 在其中发挥了关键作用。2012 年，Oculus Rift 在 Kickstarter 上众筹筹集了数百万美元，引起了 Facebook（现为 Meta）的关注，并于 2014 年收购了该公司。Rift 是首款量产的高分辨率 VR 设备。其早期原型由约翰·卡马克亲自展示。

Oculus Rift 的成功也推动了移动 VR 的发展，因为可以与智能手机配对以创建虚拟体验的眼镜开始出现在市场上。您可以在我之前的文章中阅读更多相关信息。

2016年，配备外部追踪功能的HTC Vive和主机版PlayStation VR相继发布，但一体式头显的出现改变了游戏规则。2019年，两款头显同时问世：Oculus Quest，无需PC即可使用，支持移动平台；Valve Index，配备独特的控制器，可追踪每根手指87个点。一年后，Meta Quest 2凭借其实惠的价格和丰富的游戏库大获成功。

最后，2023年，Meta Quest 3发布，配备了升级的硬件和新型薄饼镜头，我们将对此进行更详细的讨论。随着新型号的发布，2023年第四季度全球增强现实和虚拟现实头盔市场同比增长超过2.3倍。一年后，苹果推出了一款专注于混合现实的小众产品——Vision Pro（2024年）。

02

VR技术：从追踪到硬件

现代 VR 头戴式设备基于先进的技术，可为用户提供最大程度的沉浸感。

对于虚拟现实 (VR) 而言，所谓的“自由度”(DoF) 非常重要。它与虚拟现实头显能够追踪的物理运动轴数相关。现实世界中的运动需要先被识别，然后才能转换为虚拟现实中的相应运动。例如，具有 6 个自由度 (6DoF) 的 VR 头显可以追踪所有六个运动轴。

跟踪和定位

追踪技术可以追踪头部和手臂的运动并提供空间定位。主要有两种方法：由外而内和由内而外。由外而内使用外部传感器（例如 HTC Vive 中的基站）来精确定位。SteamVR追踪系统 Lighthouse 就是一个外部定位的例子。它由称为基站的小型矩形设备组成。这些基站在游戏区域发射精确同步的红外激光束，虚拟现实头戴设备 (HMD) 可以识别这些激光束，并根据这些激光束确定其位置和方向。

基站的红外激光每秒在水平和垂直光束之间交替数次。同时，每个被跟踪物体（HMD）都有自己的光电二极管传感器阵列。它们分析这些脉冲，然后内部芯片根据光电二极管的物理位置持续计算物体的位置。

这种方法虽然在准确性方面有优势，但也有一个很大的缺点——需要一个单独的房间，并且必须被束缚在里面。因此，内部定位技术已经取得了进展，它不存在这个缺点。

内向外技术在独立头显中非常流行。它依靠内置摄像头和传感器（IMU），利用 SLAM（同步定位与地图构建）技术分析环境。SLAM技术由于无需任何额外硬件，因此应用最为广泛。它允许设备创建周围环境的地图，同时确定自身在地图上的位置。

为了创建并定位目标，MR 设备使用算法处理来自摄像头和惯性模块 (IMU) 的数据。这通常涉及将数据与已知物体和地标的数据库进行比较，并使用物体匹配和姿态估计技术来确定设备的位置和方向。

眼动追踪是一项非常有趣的技术，当摄像头追踪用户的视线时，可以优化所谓的“注视点渲染”——仅在视觉中心进行高质量渲染，从而显著优化性能。这在游戏中非常有用，可以减轻GPU的负载，因为没有必要详细地呈现那些不在你关注焦点上的内容。

因此，虚拟现实头显不再需要外部设备。Meta Quest 3 就是这类头显的典型例子，其控制器上配备多达四个摄像头和红外 LED，负责追踪和定位。

然而，这种解决方案也有其缺点，因为存在盲点，很难识别手的位置。

双眼视觉

在开始讨论图像可视化之前，我们需要了解 VR 中的图片与您在显示器上看到的平面图像有何不同。

双眼视觉——毫不夸张地说，它是一种独特的能力，使人能够在周围空间中导航并估算与物体的距离。婴儿出生时并没有这种能力。直到六个月大时，三维感知能力才开始形成。双眼视觉的发展必须满足以下条件：

• 眼部肌肉发达；

• 双侧视力相同；

• 眼睛的折射率相同；

• 眼球位于同一轴线上。

如果至少缺少一个因素，视觉就不再是双眼视觉。闭上一只眼睛，像这样走动至少几分钟，你就会看到会发生什么。

双眼视觉有时也被称为捕食者的标志，需要准确估计攻击距离

VR 头显之所以能提供独特的沉浸式体验，正是因为它们能够像现实生活一样，以双眼视角呈现图像。这需要特殊的镜片来为每只眼睛聚焦图像。

VR 中的光学原理

为了使虚拟现实发挥作用，您的头显必须具有投射图像的光学系统。

该 HMD 光学系统有三个组件（显示器）、接收器（您的眼睛）和镜头。

• 头显中的光源是显示器，例如有机发光二极管 (OLED) 或液晶显示器 (LCD)。双目头显（例如 Meta Quest 3）通常有两个显示器，为每只眼睛提供单独的图像，从而利用立体视觉技术形成 3D 感知。

• 透镜收集来自光源的光线，并创建虚拟三维世界的可视化效果。理想的 VR 头盔应该能够在宽广的视野 (FOV) 内提供高分辨率图像。

在设计图像时，最大限度地利用人类视觉系统的特性非常重要。考虑到眼球旋转和头部运动，人眼的视角垂直方向约为 120 度，水平方向约为 360 度。

双眼视角，即双眼都能看到物体的视角，约为 114 度。

显示器和镜头

目前最常见的镜头有以下几种：

• 菲涅尔透镜——价格便宜，带有同心环以减轻重量（Quest 2、Quest 3S）；

• 薄饼镜片——扁平、紧凑、清晰度更高（Quest 3）；

• 非球面可减少失真（Pimax Crystal）。

菲涅尔透镜价格低廉，但可能会造成光伪影—— “神光”。不过，Quest 3 中的薄饼透镜可提供高达 110 度的更宽视场 (FOV)。菲涅尔透镜采用同心凹槽，提供扁平设计，减轻重量并减少色差。

薄饼透镜的设计基于多个镜子和偏光滤光片，它们可以改变光路

非球面镜片没有凹槽，并且具有经过特殊计算的曲率，可最大限度地减少光学伪影，例如失真或模糊。

显示器是VR视觉质量的关键。LCD（液晶）显示器价格低廉，虽然分辨率高，但对比度较差。

OLED（有机发光二极管）提供深邃的黑色和快速的响应速度，但价格也高得多。Micro-OLED 显示屏，例如 Apple Vision Pro 中的显示屏，单眼分辨率可达 4K，像素密度很高，不过在 VR 领域，更准确的表达应该是每度像素数。

Meta Quest 3 的 LCD 显示屏性价比堪称黄金分割点。其分辨率为单眼 2064×2208，刷新率高达120 Hz 。

硬件

由于头戴式设备通常是独立的，无需有线连接到计算机，因此不仅图像质量变得同样重要，而且硬件平台也变得同样重要，它将 HMD 变成了一个可以完成几乎所有事情的自给自足的设备：从浏览、使用智能手机上的 APK 应用程序到创建个人电影院和玩游戏。

让我们以 Meta Quest 3 虚拟头显为例，仔细研究一下这个平台。为什么选择它？首先，根据IDC 的预测，到 2025 年，Meta 的产品将以 50.8% 的市场份额领先。

公司2025年第一季度的市场份额2024 年第一季度的市场份额2025 年第一季度/2024 年第一季度的单位增长

meta

50.8% 36.2% 65.9%

第二个原因是，这款 VR 头显毫无疑问是入门的最佳选择，因为它拥有非常完善的生态系统和极低的入门门槛。此外，我强烈建议您不要从之前的过时版本和新款 MetaQuest 3S 入手，因为它们基于菲涅尔透镜。

我使用 MetaQuest 3 已经快两年了，毫不夸张地说，我认为它是几十年来最成功的设备。如果算上所有组件的总价，Meta 的供货价格似乎低于成本价。

特征：Meta Quest 3展示液晶显示器解决单眼 2064×2208 1218 PPI更新频率90赫兹，120赫兹视角水平 110°，垂直 96°光学薄饼透镜镜头调整IPD 范围从 58 毫米到 71 毫米处理器骁龙 XR2 第二代混合现实2个RGB摄像头声音的具有 3D 空间声音的立体声扬声器动态随机存取存储器8 GB驾驶128-512 GB重量，克515手部追踪混合计算机视觉和机器学习传感器（4 个红外摄像头和 2 个 RGB 摄像头）PC支持Meta Quest Link电池，毫安/小时8000营业时间，小时大约两个小时，取决于负载充电时间使用 18W 电源适配器约 2 小时无线上网Wi-Fi 6E充电接口USB Type-C价格，UAH。≈23000

Snapdragon XR2 Gen 2 支持完全板载硬件加速，可完成头显的一些最关键任务，从而减轻 CPU 负担：

• 位置跟踪，显著降低功耗和延迟；

• 通过摄像头端到端传输数据，将50毫秒的延迟降低到12毫秒；

• 运动外推。

8K 视频对于这个平台来说根本不成问题。有时很难相信如此紧凑的设备竟然能拥有如此先进的技术。不过最近看来，8GB 的 RAM 有点太多了，尤其是在Meta Quest 3 也支持开发者模式的情况下。

03

有晕动病的问题，该如何处理

晕动症是VR中一个相当常见的问题。它是由于视觉线索与负责平衡的前庭系统发生冲突而产生的。在现实生活中，当你移动时，你的眼睛、耳朵和肌肉是同步的。在VR中，你在视觉上感觉像在“飞行”或“驾驶”，但你的身体却一动不动，这会导致恶心、头晕或头痛。

这可能是由于刷新率低（低于 90 Hz）、延迟超过 20 毫秒、没有真实运动的虚假运动，当然还有用户的个人特征。根据我的个人经验，我可以自信地说，我的前庭系统在最初几个月里得到了显著改善。是的，这不是一个快速的过程，你不应该因为第一次的负面体验而感到沮丧。

前庭系统也会进行训练和适应。随着时间的推移，我不再在游戏中使用瞬间移动功能，现在我可以非常愉快地玩一些移动端游戏至少一个小时，比如经典的《毁灭战士3》（是的，它可以在头显上自主运行），或者我上次写到的带有VR模组的传奇游戏《孤岛惊魂》。事实上，VR头显是为老游戏注入新活力的真正天赐之物。不过，我们将在另一篇文章中讨论这个问题。

研究表明，由于激素因素，女性更容易晕动病，而儿童则由于前庭系统发育不全而更容易晕动病。在快速移动的游戏中，这个问题可能会加剧。但你永远无法了解你的前庭系统的潜力，除非你尝试“激发”它。该怎么做呢？

• 从短时间（10-15分钟）开始，逐渐增加时间

• 使用舒适的模式：传送而不是平滑的运动、静态的场景和静态的游戏；

• 调整瞳距以达到清晰度；

• 在通风良好的地方玩耍；

• 铁杆鉴赏家甚至会使用止吐药；

• 以高 FPS 和低延迟进行游戏。

2020 年代的研究表明，经过训练，70% 的用户可以在一周内适应。最终，晕动症并非障碍，而是一个可以通过正确方法解决的挑战。

总的来说，虚拟现实这个话题非常庞大，事实上，它是一个独立的“黑客帝国世界”，一个完整的文化层面，它拥有自己的秘密和乐趣，只有亲身体验才能体会。虽然有人对你说“这项技术尚未成熟”或“并非人人适用”之类的童话故事，但其他人早已享受到了它带来的好处。

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