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显示仍是VR技术瓶颈 内容与服务左右未来发展
仍需更高的解析度与更好的视野感

【作者: 籃貫銘】2020年09月30日 星期三

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在所有沉浸式体验技术中,虚拟实境(Virtual Realty;VR)是发展最早的一项,同时也是目前技术最成熟的一项。而VR之所以能够有如此快速的发展,最主要的原因就是3D电脑游戏的带动,让它可以快速的进入消费者市场,同时也带起其他的沉浸式技术成长。


要构成一个基本的虚拟实境,至少需要有两大系统,一个是向使用者双眼提供虚拟内容的头戴式显示装置(Head-mounted Display,HMD),另一个则是感测使用者肢体动作与位置的感测系统。而目前VR主要的技术发展都集中在HMD的开发上。


HMD的双眼视觉系统

以功能来说,HMD系统最主要的设计挑战,就在於要有能力提供优异的立体视觉体验成像品质,而这并不是件容易的事。


HMD的成像模式,是属於双眼视觉的显示方式,也就是英文的「Binocular」,一般日常生活里最常见的双眼成像产品就是??远镜。而HMD就是在类似的成像基础上,进一步扩大、深化整体的视觉体验,要达到这个目标,HMD内部的显示器与光学镜片就是关键。



图一 : VR的图像内容是由两片独立的显示幕所提供,而这两显示器的成像品质也就几??决定了视觉体验的优劣。(source:Applied Optics)
图一 : VR的图像内容是由两片独立的显示幕所提供,而这两显示器的成像品质也就几??决定了视觉体验的优劣。(source:Applied Optics)

从示意图可以看出,VR的图像内容是由两片独立的显示幕所提供,而这两显示器的成像品质也就几??决定了视觉体验的优劣,再加上是头戴式的显示,故与人眼之间的距离非常接近,因此必须要有足够的解析度和反应速度,才能够给使用者带来足够的沉浸式体验。


萤幕解析度与更新速度

以Facebook最新推出的Oculus Quest 2为例,该产品的解析度就较前一代提升了50%,达到每眼1832x1920画素的解析度,而且萤幕更新的频率也提升至72Hz至90Hz,以进一步提升动画的流畅感。


值得注意的是,Oculus Quest 2舍弃了VR业者爱用的AMOLED显示面板(OLED有较鲜艳、明亮的色彩,和轻薄与低功耗的优势),并转向使用一种独特的LCD显示技术,称为「快速反应RGB阵列显示器(Fast-switching RGB-stripe)」。而透过使用这款LCD,Oculus Quest 2在解析度上又有所精进,同时也维持了优异更新速度。


像是HTC的Vive Pro就是采用3.5寸AMOLED的显示面板,它的单眼解析度为1440 x 1600像素,更新速度则是90Hz。


视野与光学元件

除了解析度与更新速度之外,要达到良好的虚拟实境体验,建构出符合真实人类「视野」与「视感」的画面也是关键所在,而这就是光学元件发挥效用之处。VR的光学元件是作为把显示器的画面投射到人眼的关键元件,它主要的功能就是带来清晰、比例正常且不变形的影像。



图二 : 正确的把物体的相对位置呈现在适合的观看位置,VR成像技术的一大挑战。(source:Computer Science)
图二 : 正确的把物体的相对位置呈现在适合的观看位置,VR成像技术的一大挑战。(source:Computer Science)

由於人眼是会转动,且每个人的对焦视点又有所差异,因此要打造出一个完全无缝且体验顺畅的VR光学方案其实非常的困难。一般来说,目前大多数的产品都只会标示出它们的显示视野角度,例如110度。确切的使用体验还是要戴上才知道。


有良好的显示和光学系统,当然还要有良好的VR内容来搭配。就目前的技术来说,设计出优异的VR内容并不是问题,因为在处理器与绘图引擎技术的持续突破下,要顺畅的运行解析度达8K的VR内容并不是梦想,而且可说是已经成真。


呈现360度环景的3D内容

VR内容真正的挑战是在於全景的设计,虽然说拍摄360度全景的图片和影像以不是问题,但如何与显示和感测系统搭配,建构出真正的360度环景的视觉感受,就是一门大学问。再者,人类本质是3D的生物,是生活在立体的世界里,而一般VR所搭载的显示器终究是属於平面的2D图像,要转成具备远近和深度的立体3D图像,VR影像内容的显示方式就要另行设计。


目前主流的VR 3D成像技术是采用投射的方式,最常用的就是所谓的「等距柱状投影法(Equirectangular Projection)」,它是以画面某一点为中心,再建构出周边物件之间的距离,等同是用座标来推论相关位置,进而快速的运算出3D的影像。然而这个方法存在有解析度不一致的缺点(以同一图片进行不同远近的缩放),因此在视觉体验上也不尽完美。


然而Google在几年前提出了一种称为「等角方块映射投影法(Equi-angular Cubemap,EAC)」的新技术,它透过先把球状影片转为正方体,之後再把正方体分成由6个正方体组成的平面,并於投影过程中,针对每个区段的角度画面进行调教,因此大幅改善了像素密布不均匀的问题,直接提升了3D全景的视觉感受。


但就如同3D电影的拍摄一样,最隹的VR影像内容都应该是采原生制造,也就是从一开始就使用3D全景的制作,才能带来真正的沉浸式体验。


感测动作与位置的控制介面

有拟真的影像外,如何与之互动也是沉浸式体验的关键所在,而这就涉及了使用者的动作感测与定位问题。一般而言,基础的VR装置大概只需要感测使用者的头部动作,也就是头的转向与视角的移动,再者就是手部的操作与输入指令的控制。


在头部的转向与视角的感测上,不外??就是搭载陀螺仪,或者称作角速度感测器,来做为角度与转向的感测。但为了完整且精确的感测头部的转动,因此VR的头盔常会搭配其他的感测器,来达成更精密的侦测,包含加速度感测与电子罗盘等。



图三 : 一个VR系统的关键组成。
图三 : 一个VR系统的关键组成。

在使用者位置定位与感测手部动作部分,则需要另分成两部分来进行。在使用者定位方面,则需要在虚拟实境空间内,设置感测的镜头,以撷取使用者的位置和动作。通常这个感测镜头都会使用双镜头的设计,以取得相对立体的位置,更讲究的虚拟实境空间则会使用多部感测镜头的设置,以更精确的侦测使用的行动。


而在手部动作的感测方面,为了提升互动性与更精准的指令输入反应,通常VR的使用者都需要配戴或手持控制器,用来对虚拟实境里的物件进行指令的输入,例如「执行」和「取消」,或者更复杂的「拿取」和「扭转」的动作。而配合感测镜头的设置,通常手部的控制器也会有用以感测动作的光讯号,进一步协助整体虚拟环境的感测精度。


娱乐为主 教育训练为辅

至於VR的应用,娱乐功能仍会是其主要的发展领域,包含游戏和电影等,这些应用本身就注重在沉浸於情节之中,因此会是VR发展的主要驱力。而在5G技术成熟之後,高解析的VR串流内容服务也会陆续进入市场中,其主要的应用就会是演唱会或者体育赛事的VR转播,带来有别於现今线上转播的观看体验。


除了娱乐应用外,教育训练导入VR技术也将会更加常见,尤其是特殊场域和机具的操演和操作,像是飞机与大型运输工具的驾驶,消防和军事的演练,这些设备与场景都具有高危险性,并不适合初学者直接进行实机和实场的训练,因此使用VR的设备将有助於降低危险性,同时也有助於提升後续训练的成熟度。


至於商业用的虚拟导览和虚拟采购,就目前的发展来看,其实并不是这麽的乐观,主要是这类应用的目标是资讯的传递,而非体验本身,因此若能以简易的方式就完成资讯的传达,采用更复杂的VR系统就显得不合理,因此发展将十分有限。


结语

动画「刀剑神域」和电影「一级玩家」里的情境,彷佛将是VR装置的终极型态,一但戴上,就进入了第二人生,开启了完全不一样的生活面貌,在虚拟的世界里自在优游,尽管你需要许多额外的设备和装置,以及好像多出来的「肉体」。


但若回到使用与体验的方便性来说,虚拟实境或许会朝向取消头盔的方向前进,最终的完成式,应该要如同蜘蛛人电影里所呈现的方式,就是完全以全息投影的方式出现,而且还能宛如真人出现般的互动,但要走到这一步,还有非常多项目要克服。在此之前,能够在头戴式系统里充分实现沉浸式体验就已是巨大的成功了。


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