看虚拟现实头盔如何玩转显示技术
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看虚拟现实头盔如何玩转显示技术
　　据Tractica报告，未来几年内头盔(VR headsets)市场将迅速成长，预计到2020年将达到7600万台。本文引用地址：
　　(Tractica公司预测的年全球VR出货)
　　据悉，厂商密切关注市场，在这一领域，显示屏具有明显的优势，其响应速度非常快，液晶显示器市场不容乐观，因此许多VR厂商可能会考虑采用显示屏。
　　事实上，大多数头盔厂商采用AMOLED显示屏，最开始他们使用的是液晶显示屏，但后来改用速度更快的AMOLED显示屏。首先是Oculus Rift的AMOLED显示屏，其次是三星显示器将其智能手机Super AMOLED显示屏应用在与Oculus合作研发的Gear VR上，索尼最新的原型也采用了AMOLED显示屏。
　　最有趣的OLED VR解决方案当属eMagin公司正在开发的微型显示器虚拟现实头盔。eMagin公司解决方案采用2K&2K OLED微型显示器和专利光学，相比智能手机大小的AMOLED头盔，这种解决方案更小更高效。eMagin公司日前宣布，其已与某家公司就HMD技术签署非专有知识产权(IP)许可协议。
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[摘要]摇篮中的VR需要的可能不是万千充数的平庸之作，而是制作精良、交互顺畅的游戏、影视大作，也就是常说的杀手级应用。
腾讯数码精选优质自媒体文章，文中所述为作者独立观点，不代表腾讯数码立场。这是一份关于VR头盔的简单科普，你也可以看作是一份助你败家有方的导购指南。Oculus Rift和HTC Vive上市日期迫近，VR(Virtual Reality，虚拟现实)这个词出现的频率越来越高。诸多手机品牌和资本血洗过后的创业公司也随之快速调转了创业方向，从所谓的智能手环和手表跳脱到了VR 的浪潮之中，于是我们看到了和当初手环、手表上似曾相识的场景——全世界都在做VR头盔，乐视、暴风影音等等一拥而上。对于普通的消费者而言，可选范围的增大反倒刺激着一部分人的选择障碍症复发。而其实在如此多的VR头盔中，也的确能分出个三六九等。乞丐版的VR——Google CardboardCardboard 是Google为了普及虚拟现实推出的一款纸板制作的VR头盔，在2014年Google I/O大会上做为礼物赠送给与会的开发者。整个Cardboard以硬纸板为材料，另有双凸透镜、磁石、魔力贴、橡皮筋等部件，可以轻松组装完成，成本低廉。2015年的Google I/O上，Cardboard也获得了更新，Google同期公布了第二代Cardboard的详细参数细节和制作技巧，所以你自己动手就可以制作出一台这样的VR设备。对应着硬件产品，Google推出了Cardboard、Cardboard Camera。前者更像是一个VR应用商店，内含已安装的VR app以及应用推荐，后者则是一个在手机端拍摄虚拟现实内容的相机app，和Google原生相机应用自带的球形照片 Photo Sphere有些类似。打开相应app，插入手机就能体验到乞丐版的VR。目前在Google Play商店已经有多款游戏可选，比如Titans of Space、Deep Space Battle，最简单的应用便是观看全景照片、视频。这几乎是最入门的VR体验了，成本摆在这里，你也不能够奢望太多。但是已经足够你去了解VR基本的工作原理，无论是游戏还是视频，手机端被分成左右两个多边形畸变的画面，通过Cardboard的透镜把畸变画面还原成正常比例的影像。类似的设备在Google官网和万能的某宝上都有售，价格在人民币几十到上百元不等。温饱水平——Gear VR这一类是产品比较集中的区间。其中体验最好的莫过于三星的Gear VR，基本原理与简陋的Cardboard类似，但内部集成了额外的传感器，比如距离传感器检测用户的佩戴姿势，可调节屈光度，另外在头盔一侧加入触控区域方便在头戴模式下的操作，整体的佩戴舒适度也要明显优于Cardboard。它与Oculus的合作也给产品的品质提供了某种形式的背书，三星负责硬件的制造，被社交巨头Facebook收购的Oculus负责软件和内容部分，配合着三星Galaxy S6和Note系列手机的2K屏幕，在画面精细度和延迟上都有不错的效果。在三星之后，陆续有其他手机品牌推出相近的产品。上月举办的MWC 2016上，LG 成了最新一个加入的品牌，推出360 VR头显设备，其构造和工作原理与三星的Gear VR并无多大差异，同样需要配合最新的LG G5来使用。对于人类的下一个计算平台，国内品牌也没有缺席，比如擅长造势的乐视，以及设计、体验见长的锤子科技。VR的局面也许会比当初的可穿戴设备更热闹，但其技术投入、内容建设的难度也更大。这类设备的价格在千元左右，以现在销量最高的Gear VR为例，国内售价在1500元左右，而在国外的一些推广中，预定Galaxy S7/S7 edge新品便可获赠一台Gear VR。想以这种方式体验VR的成本则是一部高端Android旗舰外加一台VR头盔的价格，在付出的成本和获得的体验上都能取得折中的效果，前提是你选对了产品。金字塔顶端——HTC Vive、Oculus Rift和PS VR上面这个顺序并不是随便编排的。综合我个人以及国内外媒体同行的体验，HTC Vive有足够的理由排在首位，它拥有更大的活动范围，不必把玩家禁锢在椅子上，肢体动作的捕捉，低延迟，高清晰度，这些都是它超出另外两款的原因，也能带来更真实的沉浸感，而Oculus Rift失分的地方主要是不具备可移动性，其他性能指标与HTC Vive相差无几：OLED屏幕，单眼分辨率，符合人体工学的Touch控制器。PS VR 以PlayStation 4 作为主机。与前两款设备相比，PS VR在体验上略输一筹，单眼分辨率960*1080，画面清晰度不够。当然，如果你此前没有试玩过HTC Vive或者是Oculus Rift，可能会惊呼这就是VR的未来。其实这种情况也无可厚非，这跟高冷的HiFi是一个道理，创新Aurvana Air、森海塞尔 IE80、AKG K3003，这是一个进阶的过程。用一句很俗的话来讲，一旦你体验过了更优秀的产品，之前的都会成为将就。这也是为什么很多人对于LG 360 VR 和三星Gear VR 提不起兴趣，因为他们早就体验了更好的HTC Vive、Oculus Rift等等。进阶之路不可逆，你无法指责他们的不屑一顾。HTC Vive和Oculus Rift都将在 4 月前后正式发货，而PS VR的售价和上市信息则会在即将召开的GDC(全球游戏开发者大会)上公布。华硕 ROG玩家国度水冷游戏本——GX700好产品自然会有更高的成本。Oculus Rift的599 美元和HTC Vive的799美元并不便宜，况且还要加上一台配备GTX970以上显卡的PC，价格瞬间攀升。PingWest品玩简单在电商平台上搜罗了一下符合VR硬件性能标准的台式机，i7-6700+4GB GTX970的华硕G11价格为人民币9000元。嫌台式机太笨重的话，你也可以选择一台售价49999元配备水冷扩展坞的ROG GX700。三者中体验稍逊色一些的PS VR成本优势明显，其搭配的主机是350美元的PS4，VR头盔本身的售价即便达到800美元，也在价格上有很大的优势。况且PS4现在的销量已经超过3600万台，而i5-4590+GTX970之上的PC还达不到这个数字，早前英伟达的统计显示，只有约1300万台PC符合标准，在全球14.3亿PC保有量的占比不到1%。而如果你希望一步到位，直接用上HTC Vive，你所需要的就不仅仅是一台PC了。足够大的空房间(4.5 米*4.5 米，或稍小一些)才能让你更酣畅地沉浸在虚拟现实之中，虽然Vive也可以坐姿操控和体验。近在眼前的未来社交媒体的怂恿和追捧之下，VR正在成为下一个风口上的猪。任何产业发展初期的掣肘它也无可幸免，比如内容稀缺、生态单薄，FaceBook创始人、CEO 扎克伯格在MWC 2016上给三星撑场时透露的数据显示，现在Oculus商店中应用数量超过了200款，而得益于Facebook这张全球最大的社交网络，它在全景(360 度)视频内容要丰富很多。从另一方面来讲，摇篮中的VR需要的可能不是万千充数的平庸之作，而是制作精良、交互顺畅的游戏、影视大作，也就是常说的杀手级应用。
[责任编辑：miyaliu]
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Copyright & 1998 - 2017 Tencent. All Rights Reserved极客教你做VR头盔！不是插个手机那种！
原始标题：
这个标题看上去很疯狂，而且笔者正试图让它变得更疯狂一些：没错，我们可不打算让用户还得专门插个手机进去播全景小电影——我们要做头盔，能duang地运行起一个PC端的正经游戏的那种！然而，如今的头盔正呈现出Oculus，HTC&Vive和PS三分天下之势，国内也有乐相、3Glasses、星轮等厂商投入重金攻关。笔者在这里突然自诩为“极客”，然而实际上又算是哪根葱呢？嘴上说要做一款正经的头盔，实际上却恐怕连入行的庙门都找不到才对吧：三星OLED屏的渠道有么，菲涅尔镜片长什么样认识么，屏幕分辨率和刷新率能达标么，Unity或者Unreal程序能写出一行么，以及渲染优化，工业设计，外观内衬，人体工学种种……至少，看起来这样繁多和艰险的任务，能在短短的一篇文章里解决么？也许不能；不过，这并不代表我们就不去尝试一些事情。极客的准则首先是实践。然后才看它与我们理想中的结果还有多远。那么，我们这就开始。首先，是用什么来显示的问题。首先要有个显示的媒介所谓媒介也就是选择显示画面的一块屏幕。传统的液晶显示屏大都是采用薄膜晶体管（Thin&Film&Transistor，TFT）作为核心技术，在基板的背部设置光源主动控制屏幕上的各个像素，它的屏幕反应时间通常可以达到60-80ms左右。这样的延迟作为电脑和电视屏幕没有任何问题，但是作为头显设备显然是无法接受的。目前基本上也没有厂商会选择这种屏幕作为显示的载体。IPS屏幕（In-Plane&Switching）改变了液晶分子颗粒的排列方式，虽然本质上还是TFT屏幕的衍生品，但是拥有很好的清晰度和可视角度表现，甚至可以做到接近180度的视角。IPS屏幕的刷新率也远高于传统的TFT液晶屏，可以达到60Hz的水准，对于应用来说基本上差强人意。绝大部分国内头显厂商都使用了IPS屏幕作为自己方案的一部分。OLED屏幕则是目前高质量头盔实现的首选（包括三大家和国内的乐相Deepoon），它具有自发光的特点，因此不需要额外的背光板，也改善了因此产生的余晖（Persistence）和拖影现象；同时它的反应时间很快，足以做到75Hz甚至更高的刷新率。但是OLED小尺寸屏幕做到更高的屏幕分辨率，目前难度还比较大，良品率较低；同时因为有源的AMOLED供电需求较高，通常需要大于8V的电压和稳定电流，因此电压管理的设计更为复杂，要找到稳定可靠的生产和供货渠道也更为困难（不过据说只要付给三星60万，就可以开启新世界的大门了）。笔者并不想在这里挑战自己的财务底线，因此选择了更容易购买散件的IPS屏幕，并且为了能够得到更好的显示效果，显然至少要达到2K的屏幕分辨率（2560&x&1440）才能让观众感到满意。从上图以及之前的Oculus拆解图中，我们都可以看到一块与屏幕直接连接的电路板，它被称作驱动板。它负责与屏幕连接，将来自外部的数字视频信号通过HDMI或者MDL接口输入并转换到屏幕上显示，同时还要负责电压管理和保护。对于OLED来说，复杂封闭的接口规格说明以及颇为棘手的电源管理问题，限制了很多国内厂家为它制作驱动板的能力；而IPS屏的驱动板使用则更为成熟，基本上可以直接连接电脑并作为扩展显示屏使用；或者烧录新的EDID信息，从而将屏幕识别为Oculus&DK1和DK2设备（前者已经开源），并且直接连入Oculus接口和游戏内容。显示和驱动的问题看起来有了眉目，另一个问题也是绝对不可忽视的，那就是镜片的选择。头盔中的菲涅尔透镜隔在人眼和显示屏的中间，主要负责改变光路并产生画面的放大效果，尽可能与人眼的实际FOV（视场角度）相匹配，从而带来包裹感和沉浸感。然而透镜的色散效应会在边缘产生不正确的画面色差，透镜的形状也会极大影响画面的成像质量。这些问题不妨参考Randy Orton老师发表过的《头盔产品镜片评测》（地址见文末）。除此之外，如何将这些设备连接到一起，形成一个外观和内里排布都足够合理的结构，以及与使用者头部的连接和固定方法。这些与工业设计密切相关的问题也都是相关从业者们所必须要关注和考虑的。当然了，选择三维打印外壳也是一个不错的主意，不过对于这样一次极客式的尝试而言，我们远不需要做到那么复杂。笔者选择了Cardboard作为示范的头盔外壳，并且将刚才的东西一股脑塞进去粘好，点亮！也许，这一切也许并不是那么具有山寨的气息？画面要跟随我的脑袋看起来有一点进展了，至少现在有了一块可以用来看看日本小电影的袖珍屏幕。事实上，如果我们现在就能找到一些以左右眼分隔方式输出的视频的话，把它放大到全屏播放就可以看到正确的图像了！真是令人激动的成果啊，但是买点屏幕和驱动板就拉倒，这显然不应该是头盔的全部；至少，不能连最基本的交互行为都没有。没错，我们下一步要解决的问题，就是让显示的画面能够跟随头部的旋转变化，让使用者真的可以有身临其境进行观察的感觉。既然是模拟头部的旋转姿态输出，自然少不了一个重要的参与者：惯性传感器（IMU）。笔者在另一篇拙文中曾经提及IMU的实现原理，参见其中第（4）节（《成为的利器之前，运动捕捉技术是如何发展过来的？》地址见文末）那么，我们从IMU传感器中能够得到什么样的数据呢？通常一个九轴的IMU传感器（包含三轴加速度计，陀螺仪与地磁传感器）可以输出如下所示的数据内容：958&&0&0&38&70&65497958&&&70&65497958&&&70&65497958&&&70&65497958&&&38&70&65497……（注意，对于int16格式的传感器数据，实际上这里的65535&=&-1）这显然无法用来表达任何的姿态信息，并且因为民用传感器的设备精度很低，直接采用陀螺仪（即角速度传感器）数据乘以时间间隔的结果，也基本上完全无法表达真实的转动情况。幸好，伟大的数学家们发明了Sensor&Fusion（传感器融合）方法。Sensor&Fusion，顾名思义就是把各路并不精准的传感器数据合在一起，取得一个更好的整体结果值。事实上加速度计、陀螺仪和地磁传感器确实可以相互弥补弱点，从而有效地填补空白数据，从而得到反应更灵敏也更流畅的输出结果。常见的Sensor&Fusion算法主要包括Kalman&Filter，Mahony&filter以及Madgwick&filter等等，其基本共性是对输入的数据进行滤波和融合处理，得到平滑、低延迟、低抖动的结果数据（通常是世界坐标系下的旋转姿态值，欧拉角度或者四元数形式）。很显然，IMU本身的输出频率越高，最终结果的频率也就越高，这也是为什么Gear会采用高达1000Hz频率的单一传感器作为姿态计算的依据，而不是手机本身的陀螺仪（根据手机品牌的不同，有些传感器的质量可能会很差，甚至被阉割）的原因。国内厂商（例如焰火工坊等）也采取了类似的做法，以求整个Sensor&Fusion和姿态计算过程高效且可控。（Via&）毫无疑问，如果选择九轴IMU作为姿态传感和输出设备，那么就可以直接得到使用者头部的世界旋转角度信息，进而控制内容的渲染以及交互。但是地磁传感器本身非常容易受到环境磁场的影响，例如附近有磁性的设备，抑或是铁制的桁架和管路，都可能改变地磁传感器的输出，进而产生一个错误的融合结果！此外，地磁传感器本身也需要预先进行标定，毕竟融合算法是需要对地磁数据进行归一化（取当地地磁最小和最大值，然后重映射到[0,1]区间）之后才能准确计算的，而北京和澳大利亚的磁场参数显然大相径庭。另一种选择是放弃地磁传感器，转而采用仅包含三轴加速度计和陀螺仪的六轴IMU来计算相对旋转姿态。这样避免了标定和场地的限制，并且也有研究表明，单纯采用六轴IMU计算的响应速度更快，数据稳定后的抖动幅度更低。不过因为没有地磁数据作为参照，因此每次开机后头盔的初始姿态是无法预知的，因此也就无法确定游戏者是否一开始就能看到重要的三维提示信息，还是需要困惑地四处转头去寻找入口（如下图Oculus的Demo场景，一个简单的Start按钮）：设备接口的选择也是有讲究的，USB无疑是目前最为常见的方案，事实上无论Oculus&还是HTC&Vive都选择使用USB接口来辅助供电和传递姿态信息。当然这一切在起步阶段都没有必要自己去制板和焊接，因此笔者根据上述的选择条件，在淘宝上毫不犹豫地相中了下图一款封装完整，物美价廉的IMU传感器模组：它采用了九轴IMU传感器，数据通过UART转换到USB接口输出，并且已经做好了片上融合，即硬件已经通过Sensor&Fusion算法计算得到了真实的世界旋转姿态，并且提供了简单的标定方案。因此现在要做的就是把这个传感器粘贴到纸质头盔的合适位置上，然后将姿态数据传递给自己的程序，及时改变当前用户观察的视角和渲染内容。图形学发威的时间现在我们有了一个看起来像模像样的头盔，虽然一切都是硬纸壳子加上3M胶带组成，但它至少可以播放来自电脑的任意豪华分辨率的立体电影，并且通过简单的程序进行视角控制；最关键的是，整个系统的延迟似乎完全在我们能够接受的范围内——胜利在望了吗？那么随后我们要解决的，是显示内容开发的问题。很显然，只是做了一个粗糙的影片播放器，这并不能满足一名极客的进取欲望。要让别人制作的游戏接入到我的头盔里面，然后构建自己的SDK开发接口和游戏内容平台，这也许才是我们内心的狂野独白——当然这并不是小小的一篇文章所能承载的庞大构想。不过至少，现在才应该是有着十年图形学和底层渲染引擎开发经验的笔者发威的时间。笔者选择自己熟悉的OpenSceneGraph开源引擎来做一个简单场景的渲染，为了确保它在山寨头盔里的显示是正确的，我们需要将场景画面重复渲染两次，分别对应人的左右眼所见的内容。大脑会根据这两幅画面在视网膜的成像，主动对比和生成具有强烈立体感的画面。然而人的双眼之间存在着一定的间隔，因此在观察同一个场景的时候会存在着方向上的偏差，也就是视差。使用程序执行渲染时，需要对左右眼的观察矩阵和投影矩阵做一个偏移处理，以模拟这个视差现象，从而欺骗大脑让它以为自己置身于虚拟世界。我们现在把程序的画面全屏输出到头盔的显示屏上，再加上IMU的姿态输入来改变观察矩阵，看起来一切都很美了，只是感觉有点变形？没错，别忘了眼睛和显示屏之间的那个透镜，它很可能会造成桶形畸变（Barrel&distortion）的现象，也就是说，靠近边缘的画面中，直线将不再以直线的形式出现，而是产生了弯曲变形。（Via&）我们需要一个全屏后处理的方案来纠正这种畸变。简单来说，就是刚才渲染的场景不再直接输出到屏幕上，而是输出到一处显卡内存区域（Frame&buffer&object），然后对这张内存中的图像进行进一步的处理：包括处理失真，镜片引起的色散，改变对比度和亮度，修正色彩曲线，等等，就像是我们在Photoshop中做的一样。注意这里我们对原始输出的场景画面做了变形，从而与镜片的畸变参数进行匹配，在视野中得到正确无失真的结果。<p style="max-width: 100%; min-height: 1 white-space: pre- color: rgb(6VR资源网整理出品对不起，服务器出错。按“”将重新刷新此页面，按“”回到上一页。
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