虚拟现实如何运作？虚拟现实的技术变革

你有没有想过 “虚拟现实是如何运作的”？硬件和软件的正确组合如何能瞬间将我们带入一个新世界？真正身临其境的 “虚拟现实 “体验需要哪些组件？

近年来，”虚拟现实 “世界发生了翻天覆地的变化。曾经，VR 只是科幻小说中的一个新概念。后来，开发人员开始发现制作独特 VR 体验的有效方法。

渐渐地，VR 头显变得更加直观和复杂，新技术不断涌现，为我们带来了独特的数字景观体验。如今，全球估计有 1.71 亿 VR 用户，头显出货量持续增长。

那么，虚拟现实是如何运作的，为什么它是如此重要的技术演进？

虚拟现实如何运作？

虚拟现实技术创造了一种端到端的机制，用身临其境的模拟来取代我们自然的 “真实世界 “环境。虚拟现实解决方案结合使用硬件和软件，用计算机生成的替代物取代我们在现实世界中的视角。

为确保体验身临其境、逼真逼真，虚拟现实系统结合使用了红外线 LED、运动传感器、摄像头和屏幕，使头戴式设备能够收集相关信息并将其呈现在人眼面前。有些解决方案甚至使用附件来加深沉浸感，如触觉反馈系统和空间音频。

真正的虚拟现实技术并不是简单地用新信息填充你的视野。它创建了一个可以与之有效互动的模拟环境。利用人工智能、传感器和算法，虚拟现实头盔将新的 “数字世界 “与现实世界进行定向，欺骗你的大脑，让它以为你确实身处一个新的环境。

那么，虚拟现实为何有效？它如何如此有效地影响我们的感知？

简单地说，虚拟现实的基本原理是，我们所看到的、听到的和与之互动的东西会影响我们对世界的理解。虚拟现实头盔通过编程捕捉我们对自然刺激的反应，我们的反应由人工智能驱动的软件进行处理。

然后，这些信息被用来在空间映射环境中创建虚拟物体，从而欺骗人类大脑。

虚拟现实技术的演变

几年前，人们对 “虚拟现实是如何运作的 “这个问题的回答可能有所不同。大多数人仍然认为虚拟现实是一个全新的概念，旨在为与工作、娱乐和培训相关的体验提供动力。然而，虚拟现实技术已经存在了几十年。最初的一些头戴式设备是在 20 世纪 90 年代中期生产的。

最初，这些耳机提供的是 “虚拟现实 “的基本体验，主要依靠影响我们戴上耳机后所看到的东西。现在，创新者通过低延迟软件和升级硬件改变了虚拟现实体验。

如今的虚拟现实解决方案不仅包括头戴式耳机、显示器和运动控制器。它们还配备了实时传感器，可以跟踪用户的动作、眼神和手势，在我们的行为和 VR 体验背后的人工智能软件之间建立了更深层次的联系。

现在，VR 可以对我们的行为做出快速反应，创造出一种新的 “空间计算 “体验，让我们可以与计算机系统进行自然的交互。

虚拟现实的不同类型

随着扩展现实领域的发展，各种 “VR 体验 “的开发也影响着人们的答案： “虚拟现实是如何工作的？

从广义上讲，所有形式的虚拟现实都试图利用传感器、人工智能和硬件（如可穿戴头盔）的组合，让用户沉浸在一种体验中。然而，虚拟现实有多种形式，各有其独特的细微差别。

虚拟现实如何用于非沉浸式 VR？

提到虚拟现实，大多数人都会想到 “完全沉浸式 “体验。然而，虚拟现实提供的沉浸感有多种层次。非沉浸式 VR “一词有点名不副实，因为所有形式的 VR 都能提供一定程度的沉浸感。

不过，在这些类型的虚拟现实中，你只是在基本层面上与虚拟环境进行交互。没有传感器或手势控制等先进的 “空间计算 “功能。相反，你需要使用控制器与数字景观进行交互。

驾驶模拟器也许就是最好的例子。使用非沉浸式 VR 驾驶模拟器，你可以坐在方向盘后面，像驾驶真车一样与踏板互动。有些模拟器甚至使用触觉反馈，让你有身临其境的感觉。不过，这种类型的 VR 通常不需要佩戴头显。

虚拟现实在半沉浸式虚拟现实中是如何工作的？

半沉浸式 VR 有时被描述为基本的 “混合现实”，它将数字组件置于真实物体或环境之上。通常，这种形式的 VR 常见于教育和娱乐环境。

例如，飞机机组人员和飞行工程师可以使用半沉浸式平视显示器（HUD）来查看叠加在挡风玻璃和其他设备上的数字内容。这种沉浸式现实之所以被称为半沉浸式，是因为它不会产生不同现实的错觉。相反，它只是对自然环境进行了增强，类似于增强现实或混合现实体验。

完全沉浸式虚拟现实是如何工作的？

大多数人在想象 VR 时都会想到 “完全沉浸式体验”。Meta Quest 2 和 Quest 3 等工具就是完全沉浸式头显的典范。它们为用户提供 360 度的模拟体验。

在完全沉浸式 VR 中，周围的世界消失了，取而代之的是与计算机屏幕或显示器上的图像一致的声音、图像甚至身体感觉。这些头戴设备使用人工智能和传感器技术来响应你的动作，并让你在虚拟世界中移动。

在某些情况下，完全沉浸式 VR 解决方案可以与触觉配件一起使用，让你相信自己正在触摸数字空间中的物体并与之互动。

虚拟现实如何运作？虚拟现实的组成部分

各种形式的虚拟现实体验通常都依赖于各类硬件和软件的组合。如上所述，这些组件已经变得越来越先进和复杂。它们包括：

虚拟现实头盔

VR 头显是许多 VR 体验中最重要的组成部分之一。这些头戴式可穿戴设备包裹着用户的眼睛。它们不仅能阻止你看到外部世界，还能展示与 VR 模拟相关的特定信息。

从本质上讲，它们用计算机生成的替代物取代了你的自然视野。VR 头显包括屏幕、摄像头、运动传感器和红外线 LED。它们收集来自人类感官的信息，并进行调整以提供身临其境的体验。

头显也有多种形式，从连接电脑的有线设备到 Meta Quest 这样的独立头显。

镜头和屏幕

在 VR 头显中，立体透镜位于屏幕（通常是 LED 屏幕）和眼睛之间，可以扭曲图像，使其看起来像三维立体。头显通过镜片（每只眼睛一个）传输两幅图像。

然后，耳机内的红外摄像头会根据用户的需要调整光线，追踪器则会随着我们头部的移动而移动屏幕上的内容。有些头戴式设备甚至可以跟踪眼球的运动，以实现有焦点的渲染。

延迟和视场

延迟和视场（FOV）是 VR 头显的组成部分，可使虚拟信息与现实世界保持一致。普通人在头部周围 200 至 220 度的弧线上看到周围的世界。左眼和右眼的视线呈一定角度重叠，这使我们能够看到三维空间。

虚拟现实头显就是通过生成与用户自然视角一致的三维环境，让我们相信自己身处另一个世界。体验的真实感在很大程度上取决于我们的动作如何影响我们所看到的变化。

要确保我们在移动、转头或朝特定方向看时，所看到的内容同时发生变化，就必须将延迟降到最低。

帧频

与延迟和视场类似，VR 设备的帧频也决定了体验的沉浸感以及出现 VR 病的可能性。虽然人眼可以看到每秒 1,000 帧的画面，但大脑只能理解最高 150 FPS 的帧率。

一般来说，影院中电影的帧频只有 24 FPS 左右，但这些电影并不是用来模拟现实的。VR 开发人员发现，低于 60 FPS 的帧速率会导致恶心和头痛。

空间音频

近年来，空间音频在任何虚拟现实体验中都变得越来越重要。声音及其来源会影响我们对三维空间的感知。当今尖端的 VR 技术使用智能技术将声音定位在我们头部周围。

这意味着，如果我们在虚拟现实中穿过一间会议室，有人在 “身后 “叫我们的名字，我们就会听到来自身后的声音。

许多音频创新者使用这种 “3D “音频已经有好几年了，包括 YouTube、Spotify，甚至谷歌的 VR 音频系统。

头部、运动和位置跟踪

要创造身临其境的体验，令人信服、逼真的视觉和声音是必不可少的。但是，VR 的真正魔力来自于我们可以根据自己的位置和动作在空间中移动和互动。

头部和位置跟踪技术结合使用传感器、陀螺仪和人工智能，在我们移动时影响我们的视线。基本的头显最初使用三自由度（3DoF）系统，只允许我们向左、向右、向上和向下看。

如今最先进的头显（如 Varjo XR-4）使用六自由度系统，确保我们可以 360 度环顾四周，就像在现实生活中一样。

虚拟现实控制器

尽管一些虚拟现实创新者正在尝试使用传感器和跟踪器等空间计算技术，以尽量减少对控制器的需求，但许多头显仍然配备了连接控制器。

这些控制器基本上都是硬件组件，可让用户在虚拟环境中采取行动和做事情。举个例子，想想你在 Meta Quest 2 或 3 上使用的控制器。通过控制器，我们可以直接向 VR 软件提交想要做的事情。

然而，随着公司不断开发出更先进的身体和动作追踪功能，”虚拟现实是如何工作的？”这个问题的答案可能会发生变化。我们可能不需要控制器就能驾驭未来的虚拟现实世界。

虚拟现实软件

虚拟现实软件本质上是虚拟现实解决方案的组成部分，它将延迟、位置跟踪、帧速率和位置跟踪等功能与 3D 环境相结合。与大多数软件一样，虚拟现实软件的用途非常广泛，可以满足各种需求。

一些开发商甚至提供 “虚拟现实即服务 “解决方案，让公司能够创建特定行业的用户体验。这些技术可以创建协作环境，如微软团队的沉浸式空间、培训模拟等。大多数虚拟现实软件都包含生成三维虚拟世界和头像所需的所有数据和代码。它们还能确保通过头显有效地传输信息流。市场上的一些最新 VR 软件还可以与现有工具集成，如协作平台、通信系统和内容管理系统。

虚拟现实如何运作？使用案例

如果你想知道虚拟现实是如何工作的，你可能也想知道它的用途。过去，虚拟现实头盔和体验通常被视为娱乐业的工具。虽然虚拟现实技术在游戏和其他娱乐领域仍然很常见，但其应用案例正在不断演变。

例如，招聘中的 VR 可以让雇主找到与新团队成员互动和入职的独特方式。在建筑和开发领域，VR 环境可以帮助团队合作开发三维蓝图，或使用数字双胞胎进行设计实验。VR 可以帮助团队在身临其境的环境中开展协作，复制面对面互动的感觉。

此外，VR 甚至还可应用于客户服务领域，帮助公司向客户展示产品、创建身临其境的演示，甚至排除故障。其他用例包括

• 身临其境的培训和教育体验
• 产品设计和开发
• 旅游和旅行
• 医疗保健和远程保健

虚拟现实技术也是帮助创造多种形式的 “元宇宙 “体验的主要技术之一。正确使用虚拟现实技术，可以为用户带来许多好处，从加强协作到改善人与人之间的联系，不一而足。

虚拟现实技术面临的挑战

多年来，随着开发人员和创新者在创造身临其境的体验时遇到各种挑战，”虚拟现实如何运作？”这个问题的答案已经发生了一些变化。如今，这些挑战仍在推动着虚拟现实领域的变革。

例如，Varjo、HTC VIVE 和微软等领先企业仍在努力解决 “VR 病 “问题，以及我们在长时间接触 VR 时感到不适的问题。与此同时，”元宇宙 “环境的引入和 VR 的日益普及也揭示了从伦理道德到网络安全等方面的潜在问题。

此外，虽然头显的价格越来越低廉，但创建 VR 工具和软件仍然昂贵而耗时。创建直观的 VR 环境需要大量投资，并可能因高级计算要求而对环境造成影响。所有这些问题都需要解决，以创造一个人人都能发现虚拟现实好处的世界。