VR的“前世今生”

本文旨在于让更多投身VR领域的开发者在创建一个Unity项目之前,从过去,现在与未来的多重角度来了解Unity对VR产业的支持。由于本文篇幅较长,我们将分为上下篇为大家介绍。上篇主要描述的是VR的起源以及如今火爆的背景。
 

VR的发展历史与现在火爆的原因

 

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在开始了解如何创建一个VR项目之前,首先需要了解VR的一些历史:1935年,小说家Stanley G.Weinbaum在他的小说中描述了一款虚拟现实的眼镜,而该小说被认为是世界上率先提出虚拟现实概念的作品,故事描述的就是以眼镜为基础,包括视觉,嗅觉,触觉等全方位沉浸式体验的虚拟现实概念;1962年,一部名为Sensorama的虚拟现实原形机被Morton Heilig所研发出来,后来被引用到空军,以虚拟现实的方式进行模拟飞行训练。虽然随后从1970年到1994年的二十多年间,VR领域有许多科学家相继投入研究,但从整体上看,还仅限于相关的技术研究,并没有生产出能交付到使用者手上的产品,直到1994开始,日本游戏公司Sega和任天堂分别针对游戏产业而推出Sega VR-1和Virtual Boy,在当时的确在业内引起了不小的轰动,但因为设备成本高,普及率并没有很大,但也为VR硬件进军To C市场打开了一扇门。
 

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现今VR产业火爆,起因是因为2012年Oculus Rift通过国外知名众筹网站KickStarter募资到160万美元,后来被Facebook以20亿的天价收购。而当时Unity作为第一个支持Oculus眼镜的引擎,吸引了大批开发者投身VR项目的开发中,正式打响了这场VR之战,但经历首轮引爆后,2014年Google发布了Google CardBoard,让消费者能以非常低廉的成本通过手机来体验VR世界,导致许多手游开发者纷纷加入这战局,点燃了今日的”Mobile VR”超级大战。纵观当今市场,独立开发市场分析的结果显示,2017年会有超过1300万的VR硬件产出,2020年更会超出5000万台,总市值将达30亿美元。
 
VR原理与现状深度探讨
 

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就目前的VR体验而言,其最亟需解决的问题就是用户体验时的眩晕等身体不适问题。造成身体不适的原因很多,分辨率、画面重影、画面延迟、深度感知不连续等等。人体全身上下有许多感知器官,每时每刻都在不断地感知周围信息并将其传给大脑,大脑则不断对这些信息进行处理,判断其是否正常和“合理”。所以,如果出现了大脑无法识别的冲突信息,大脑就会感到“困扰”,进而产生不适感。以上所说的“重影”、“延迟”和“深度感知不连续”等,均会让大脑感到“困扰”,因为这些现象在人们习以为常的生活中,几乎是不可能出现的。因此,这种情况极大加速了人们大脑的疲劳,甚至出现眩晕恶心等情况,进而大大缩短了VR体验的时间。目前,沉浸式VR的体验时间一般为每次5-10分钟,连续体验不宜超过30分钟。如何提供给用户更棒的VR体验,已经成了当今VR领域首要的解决问题。就目前而言,主流的硬件厂商都在以下几个方向进行不懈的努力。

1.提高帧率、降低延迟度
一般来说,一款PC/移动游戏的帧率只需保持在30帧/秒以上,即可满足玩家流畅游戏的需求。但对于沉浸式VR体验来说,30帧/秒是远远不够的。在此,需要先来解释一下延迟度这个概念。
所谓“延迟度”,是指从头戴式设备的传感器将方位信息传入PC机开始,经过PC/移动设备的计算渲染,最后传回到显示屏进行显示的时间间隔,如图1所示。所以,用户眼睛真正看到的实际上是几十毫米之前的场景。
 

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图1:设备延迟度的形成原因。该图取自Nvidia的技术文档《Gameworks VR》

如果延迟度过长,则用户实际看到的渲染场景是“一顿一顿”进行显示的,进而增加了VR体验的不适感,甚至让人感到眩晕。一般来说,延迟度需要小于20ms且越小越好,这样才能保证较好的VR体验。如果想要延迟度小于20ms,则必须要保证帧率至少达到75帧/秒,甚至90帧/秒以上。而这种性能要求,即便是对于目前的主流家用PC机来说,也算的上是“苛刻”了。虽然Oculus提出了Async Timewarp技术来尽可能在低帧率的情况下保证延迟度,但该方法目前仅能适用于“头部旋转”(Rotation Timewarp)和小范围慢速度的位置移动(Positional Timewarp)。对于快速移动和动态物体,该方法依然无效,如图2所示。因此,这里需要郑重说明的是,在提高VR体验时,没有任何一种方法比“提高帧率”更为有效。
 

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图2:Async Timewarp方法比较适合与静态场景的显示,但对于动态物体,则会出现“重影”效果,进而造成一定的视觉不适。

2.提升分辨率
目前的硬件需要在距离眼睛很近的位置观看,而屏幕贴近眼睛很容易产生纱窗效应,使眼睛能够看出屏幕中的格点,进而产生不适。坦白说,分辨率问题需要依靠硬件方面的提升才能得以解决。
 
VR与人体的关系与注意事项
 
实际上人体对于环境的敏锐度是超乎想像的,一个舒适的VR体验远比一个美观的VR体验更为重要,因为不舒服的体验会导致人体产生强烈的排斥反应,进而造成晕眩或是不适,在目前VR项目的开发原则就是不要让帧率低于75或停止更新。
 

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VR摄像头的结构有如一双眼睛有两个平行绑定的摄像头,且各自拥有独立的校准功能,眼睛往前看的情况下视角(FOV)范围水平角度122°,垂直角度120°,如果是在颈部自由运动的范围下,视角(FOV)能达到水平角度210°,垂直角度160°。有趣的是,如果以每度60x60像素来算,我们认为当屏幕硬件技术进化到12K x 10K时,VR体验将会非常趋近现实。VR体验最重要的环节还有声音,但许多开发者忽略了声音的重要性,试想把耳朵塞住看电影,整个体验将完全没有沉浸感,因为人的耳朵掌管许多事情,比如平衡感和声音传递,它们就像是两个心型麦克风,人脑通过声音传递到两只耳朵的强度和时间差计算出声音的方向,分析出这段声音是否需要被注意,进而决定你会选择转头往音源方向看去,还是会选择忽略这段声音。也因为人脑有这样的过滤机制,使得即使在很吵杂的环境里,如果有人叫你的名字,你也会特别容易感知到,这就是有名的”鸡尾酒效应”。值得一提的是,人的耳朵接受到高频音(3000Hz以上)时会下意识地往上看,而接受到低频音(750Hz以下)时会往下看,因此在制作VR项目时,这都是有利于引导使用者视线走向的好方法。我们常常提到自己感觉到了速度,其实那指的是加速度,人体对于加速度是有感的。因此无论是飞机起飞或汽车加速时,你就能感觉到速度快速增加,但人体对于速度本身是感觉不到的,当飞机飞行到稳定速度时,你能在机舱内安稳地用餐而不会觉得飞机正在快速移动,而你现在也无法感觉到地球正在定速转动。
重力感是唯一我们无法欺骗身体的感觉,比如在某个VR项目中过山车翻转了180度,但实际上你的身体清楚地意识到其实你重力还是朝下,这时沉浸感就会降低,除非该项目真的配备了能转180度的座椅在体验时搭配使用。
人体比想像中更容易感到疲倦,因此如果长时间佩带VR设备,不管是眼睛还是手部都很容易产生疲劳感。在项目中,如果你过于频繁地引导玩家改变聚焦距离也很容易使人感到疲倦,因此,我们建议最佳的距离是2M-5M。而以目前的硬件设备的性能来看,最佳的内容体验时间大约是5分钟-10分钟,时间过长人体就会产生疲劳感。其他比如突然晃动镜头,突然停止画面或是帧率过低都会让人体产生不舒服的感觉。
其实人类并非像我们所想的那样,希望从VR体验中得到真实感,或者说对真实感的追求是有限度的,这是因为人的情感系统天生带有移情反应,会把所有虚拟现实世界里的物体和真实世界划上等号。如果在虚拟现实世界里看到一只朝着你摇尾巴的小狗,你会主观地认定它对你没有伤害而降低警觉性,而当你的项目是恐怖游戏时,这种移情反应将会是一个非常好的切入点。给各位举一个有趣的例子,当你去商场买衣服的时候,你会发现假人永远都是没有头或是没有五官的几何图形,如果假人有张人脸反而会令客人产生恐惧感,这是1970年日本机器人专家森政弘,根据Ernst Jentsch于1906年发表的”恐怖谷心理学”所提出的理论:当人类看到与自己形体相当的假人时会产生正面情感,但是随着假人越接近真实的人类外表与行为时,人们则会突然产生剧烈的排斥与恐惧感,直到假人与正常人类外表与行为完全一致时才会消除这份恐惧感,这样的曲线呈现看起来像是一个山谷,因此称为”恐怖谷理论”。
 

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正因为移情反应,开发恐怖游戏更适合使用真实世界的纹理而非卡通纹理,沉浸在虚拟现实内的玩家看到锋利的刀会不由自主的想要避开,看到熊熊烈火会想要绕开,因为有这样的反应,所以虚拟现实也非常适合用在军事训练上,让士兵习惯在危险的环境中生活。

 

VR的目前市场分析与硬件介绍


针对当前VR开发的问题,我们可以从几个切入点进行讨论,虽然VR硬件百家争鸣,但目前市场上大概有三种类型的VR硬件设备。

第1种.必须接上电脑的沉浸头戴式设备(HMD),这种设备的代表就是Oculus Rift,其优点在于沉浸体验很好,但由于是有线设备,其有限的移动范围是个障碍,因此特别合适于双脚不需移动的应用。设备本身价格比较昂贵,因此大多都是应用于to B的领域,现在该设备上的应用大多都是短时间体验,因此非常适合展览或是商业活动展示,但这类活动体验的人数较多,因此如何保持设备的卫生将是个大问题。
除此之外,还有Sony的Morpheus(现改名为:PlayStation VR)和HTV的Vive等设备都即将问世。

第2种.需要自带手机的VR(Mobile VR),现在人手一部手机,因此该类设备只要简单地将纸版折成的可容纳手机的盒子就能体验,代表性的设备有Google Cardboard及Gear VR或是国内的暴风魔镜,虽然体验没有PC头戴设备好,但由于成本低廉,易于携带,开发应用的流程也是手游开发者所熟悉的,因此今年有大量的开发者投入Mobile VR的开发行列,进而带动了整个VR市场的发展。第3种.整合VR+AR技术的新型态体验,进入CR(Cinematic Reality)新领域,要知道市场上总是有往前冲的领头羊,谷歌所推出的Google Glass就是一个案例,虽然现已成为绝响,但也造就后面的Microsoft Hololens, Magic Leap等新型态眼镜的快速进化。未来眼镜的轻量化,极强的电池续航力将是次世代VR设备的重点,但为了达到眼镜轻量化的效果,代价就是身上必须背着一个用来运算的硬件,如果运行效果能达到预期,我们将踏入次世代VR领域。除了上述大类之外,也有许多不同的VR装置,比如投影VR或是全息VR。