戴上头盔就是另一台世界
对很多初次接触虚拟现实的用户来说，第一印象就是目前还稍显笨重的头戴显示设备。从某种意义上来说，头戴显示设备是虚拟现实的核心设备之一，同时也是虚拟现实现实系统实现沉浸交互的主要方式之一。不管是Oculus Rift，HTC Vive或Sony Playstation VR这样的基于电脑和游戏主机的头戴设备，或是需要配合智能手机使用的Samsung Gear VR类型产品，或是Android一体机，头戴设备所用到的立体超清显示技术都是最关键的一项技术。
立体显示技术是以人眼的立体视觉原理为依据的。因此，研究人眼的立体视觉机制，掌握立体视觉的规律，对设计立体显示系统是十分必要的。如果想要在虚拟的世界中看到立体的效果，就需要知道人眼立体视觉产生的原理，然后再用一定的技术通过显示设备还原立体三维效果。
那么人眼是如何产生立体视觉的呢？其实早在1838年的时候，英国的著名科学家温特斯顿就在思考一台问题，“为啥人类观察到的世界是立体的？”经过一系列的研究后发现，原因很简单，每个人都长着两只眼睛。人的双眼之间大约相隔58-72毫米，在观察物体时，两只眼睛所观测的位置和角度都存在着一定的差异，因此每只眼睛所观察到的图像都有所区别。和眼睛相隔不同距离的物体在双眼上所投射的图像在其水平位置上会有差异，这就形成了所谓的视网膜像差，或是所谓的双眼视差。用两只眼睛同时观察一台物体时，物体上的每个点对两只眼睛都存在一台张角。物体离双眼越近，其上的每个点对双眼的张角就越大，所形成的双眼视差也越大。当然，人的大脑还需要根据这种图像差异来判断物体的空间位置关系，从而使人产生立体视觉。
图3-1 人的双眼视差原理
双眼视差可以让我们区分物体的远近，并获得深度的立体感。对于离我们过于遥远的物体，因为双眼的实现几乎平行，视差偏移接近于零，所以就很难判断物体的距离，更不可能产生立体感觉了。一台典型的例子就是当我们仰望星空时，会感觉到天上所有的星星似乎都在同一台球面上，不分远近，这就是双眼视差为零造成的结果。
人类需要通过双眼来观察世界才能获得立体感，那么在虚拟现实系统中，如何通过头戴式显示设备来还原立体三维的显示效果呢？目前来说一般采用以下几种方式来重现立体三维图像效果。
偏振光分光3D显示（Polarized 3D）
偏振光是一台光学名词，考虑到本书并不是一本光学教材，这里就不讲述光作为电磁波的偏振特性了。简单一句话来描述，这种技术的原理是使用偏振光滤镜或偏振光片来过滤掉特定角度偏振光意外的所有光，让零度的偏振光只进入右眼，90度的偏振光只进入左眼。两种偏振光分别搭载两套画面，观众观看的时候需要佩戴专用的眼镜，而眼镜的镜片则由偏振光滤镜或偏振光片制作，从而完成第二次过滤。
除了极客和研究者，相信大家对光学原理不一定有兴趣，或是让我们一起来看看偏振光分光3D显示技术的发展历程，以及实际的应用场景吧。
偏振光分光3D显示技术最早要追溯到1890年，彼时正是清代末期，光绪十六年。那一年，美国天文学家帕西瓦尔.罗威尔通过望远镜观测到火星表面的“人工运河”，年仅22岁的霍元甲刚刚在与河南籍武林高手杜某的比武中初露锋芒，百年老牌光学企业卡尔.蔡司也在这一年开始了光辉的光学镜头制造史。就在这一年，基于偏振光原理的3D家用投影设备被发明，当时使用的是尼科尔棱镜。
不过直到Edwin Land发明了偏振塑料片之后，偏振光3D眼镜才有了用武之地。在1934年的时候，Edwin首次使用这种技术家用投影并观看三维图像。1936年12月，纽约科学与工业展览博物馆使用该技术向普通大众播放了三维影片”Polaroid on Parade”。在1939年的纽约世博会上，克莱斯勒公司使用该技术向每天数以万计的观众播放一部短的三维影片，当时使用的观影设备是一台免费的手持纸板眼镜。当然，这个年代的3D影片大多是黑白的。
1952年，首部彩色3D好莱坞大片《非洲历险记》上映，一时间掀起了大众对于3D显示技术的热潮。知名的《生活》杂志曾将一名佩戴了3D眼镜的观众的照片作为封面。从1970年代开始，部分旧年代的3D影片再次播放，不过此时已经不再需要特殊的家用投影装置了。
在拍摄时，以人眼观察景物的方法，利用两台并列安置的影片摄像机，分别代表人的左右眼，同步拍摄出两路略带视差的影片画面。而在放映时，将两路影片分布装入两个影片放映机，并在放映镜头前装置两个偏振轴互成90度的偏振镜。两台放映机需要同步播放，同时将画面投放在金属银幕上。
偏振光分光3D显示技术又分为线偏振光分光技术和圆偏振光分光技术两种。在1980年代以前以线偏振光分光技术为主，而此后圆偏振光分光技术开始成为主流。在使用线偏振眼镜观看立体影片时，眼镜必须始终处于水平状态。如果稍有偏转，左右眼就会看到明显的重影。而圆偏振光眼镜就不存在这样的问题，它的通光特性和阻光特性基本不受旋转角度的影响。
进入二十一世纪以后，纸盒眼镜已经很少见了，塑料眼镜成为主流，而且基本上包含在影片票里面。随着计算机动画技术的进步和数字家用投影技术的发展，以及IMAX 70毫米影片家用投影机的使用，新一波偏振3D影片的浪潮再次袭来。
图3-2 影片院中人们使用偏振眼镜观看IMAX影片
早年间观看偏振3D影片是一台奢侈的体验，最近几年内已经在各大影片院中得到了普及，当年的王榭堂前燕如今已经步入寻常百姓家了。
图像分色立体显示(Anaglyph 3D)
说起图像分色技术，其实很多人并不陌生。记得小时候就曾在老师或父母的带领下去观看所谓的立体影片。进入影片院之前，每个人都会发一副眼镜，而且是红色和蓝色的眼镜。据说也有红色和绿色的眼镜，甚至还有黄色和蓝色的眼镜，但都是同一种原理。很多人都见过这种红蓝眼镜，它的镜框和眼镜架的材料通常都是纸做的，镜片也不过是一红一蓝两张塑料制作的透明镜片，相比偏振眼镜来说成本低廉。
在使用分色技术制作影响时，会将不同视角上拍摄的影像以两种不同的颜色（通常是蓝色和红色）保存在同一副画面中。在播放影像的时候，观众需要佩戴红蓝眼镜，每个眼睛都只能看到特定颜色的图像。而因为不同颜色图像的拍摄位置有所差异，因此双眼在将所看到的图像传递给大脑后，大脑会自动接收比较真实的画面，而放弃昏暗模糊的画面，并根据色差和位移产生立体感和深度距离感。
图3-3 儿时影片院中使用的红蓝分光眼镜
分色眼镜的好处是观看立体影像非常省事，在任何显示器上都可以，甚至是打印的分色照片都可以。当然，这种简单的分色滤光方案缺点非常明显，因为偏色会让3D效果大打折扣，而且如果立体位移较大，人脑就无法自动合成两幅偏色的画面。
杜比图像分色（Dolby 3D)
使用偏振原理的立体显示技术效果最好，也就是所谓的IMAX 3D（线偏振）或者RealD（圆偏振），但是在普通的家庭影院或者电脑显示器上实现的难度很大。除非使用两台加装了偏振镜头的家用投影仪和两路使用不同角度拍摄的影像，还要配合专业的播放设备和同步装置，显然如此复杂的装备和高昂的成本不是每个普通大众可以承受的。
使用分色滤光原理的立体显示技术成本低廉，也可以在任何显示设备上实现，但遗憾的是偏色效果严重，而且立体效果也不如人意。
随着数字影像技术的发展，传统的分色技术被所谓的杜比图像分色技术（Dolby 3D)所替代。实际上，在中国大陆的影院中，目前绝大多数的3D影片都采用杜比3D显示技术。虽然比起IMAX 3D还存在一定的差异，但是效果已经非常好了。当然，需要特别提醒大家注意的是，对于音乐发烧友来说，提到杜比3D可能首先想到的是立体环绕声，而我们这里则只关注立体显示技术。
杜比3D技术需要使用专用的数字家用投影机来播放2D和3D影片，在家用投影机的内部放置了一台快速转动的滤光轮，其中包含了另外一组红色、绿色和蓝色的滤光片。这组滤光片可以产生和原始滤光片一样的色域，但同时会让光线以不同的波长传播，分别包含了左右眼的影像内容。当观众佩戴了带有二向色滤光片的分色眼镜后，可以过滤掉其中特定波长的光线，从而让两只眼睛看到不同的画面。通过这种方式，单个家用投影机就可以同时播放两种不同的画面。
其实杜比3D眼镜比RealD Cinema系统的圆偏振眼镜更贵，但好处是Dolby 3D影像可以在传统的荧幕上播放。甚至有人认为杜比3D的效果已经超过了IMAX，当然这一点上就是见仁见智了。
图3-4 杜比3D眼镜
分时显示(Active shutter 3D system)
分时显示技术是用来显示3D影像的一种方式，顾名思义，就是让两套影像在不同的时间播放。比如在播放左眼看的图像时就用眼镜遮挡住用户的右眼视野，反过来，在播放右眼看的图像时用眼镜遮挡住用户的左眼视野。如此高速切换两套影像的播放，会在人眼视觉暂留特性的作用下形成连续的画面。这种技术因为类似于相机的快门技术，所以习惯上又称之为主动式快门3D显示技术。
目前的主动快门3D系统通常使用液晶快门眼镜，可以用作CRT显示器，等离子显示器，LCD，家用投影仪和其它类型的影像播放。同步信号则分为有线信号，红外信号，无线电信号（如蓝牙,DLP等）。
相对于红蓝分光3D眼镜，主动式快门3D眼镜不会出现偏色现象。而相比偏光3D系统，快门3D眼镜可以保证影像的完整分辨率。
图3-5 Sony TDG-BR50 主动式快门眼镜
但主动式快门3D眼镜的缺点也很明显，以CRT实现为例，要求眼镜和显示器的时钟同步非常精确，否则就会产生视觉混乱。而以如今主流的LCD和OLED为例，则要求显示器的刷新率至少超过100HZ，甚至是120HZ。因此在很长一段时间里，因为显示面板的刷新率无法突破100HZ，分时显示技术一度停滞。
但随着近年来显示面板技术的突飞猛进发展，分时显示技术又重新焕发了活力。
HMD头戴显示技术
终于来到和沉浸式VR最密切相关的显示技术了。
HDM头戴显示技术的基本原理是让影像透过棱镜反射之后，进入人的双眼在视网膜中成像，营造出在超短距离内看超大屏幕的效果，而且具备足够高的解析度。
因为头戴显示器通常拥有两个显示器，而两个显示器会由计算机分别驱动会向两只眼睛提供不同的图像。这样就形成了双眼视差，再通过人的大脑将两个图像融合以获得深度感知，从而得到立体的图像。
早在Oculus Rift之前，Sony的HMZ系列头戴显示设备就已经风行于世了，此外还有SBG Labs的DigiLens系列产品，MicroOptical的MV系列产品等。主流的沉浸式虚拟现实头戴设备基本上都是基于双显示屏技术的，包括Oculus Rift、HTC Vive、Sony Playstation VR、3Glasses、蚁视AntVR等。
当然，除了这种直接内置屏幕显示图像的HMD显示屏技术，还有一种视网膜家用投影技术。简单来说，就是通过家用投影系统把光线射入人眼，然后大脑会自动脑补一台虚像。采用这种显示技术的头戴设备包括Google Glass和Avegant Glyph。
图3-6 Avegant Glyph的实际应用场景
前一种通过内置显示屏显示图像的技术更适合沉浸式体验，也就是严格意义上的虚拟现实，而视网膜家用投影技术则更适合在真实影像上叠加投射图像，也就是所谓的增强现实。
那么微软的黑科技产品HoloLens和受到众人热捧的看起来更神秘更黑科技的Magic Leap又是基于什么原理呢？
先来看看HoloLens，它相当于Google Glass的升级版方案，可以看做Google Glass和Kinect的合体产品。它内置了独立的计算单位，通过处理从摄像头所捕捉到的各种信息，借助自创的HPU（全息处理芯片），透过层叠的彩色镜片创建出虚拟物体影像，再借助类似Kinect的体感技术，让用户从一定角度和虚拟物体进行交互。依靠HPU和层叠的彩色镜片，HoloLens可以让用户将看到的光当成3D图像，感觉这些全息图像直接投射到现实场景的物体上。当用户移动时，HoloLens借助广泛应用于机器人和无人驾驶汽车领域的SLAM（同步定位与建图）技术来获取环境信息，计算出玩家的位置，保证虚拟画面的稳定。
图3-7 微软HoloLens概念展示
再来看看Magic Leap，单从显示技术上来看要比HoloLens高出不只一台数量级。Magic Leap采用了所谓的“光场成像”技术，从某种意义上来说可以算作“准全息家用投影”技术。它的原理是用螺旋状震动的光纤来形成图像，并直接让光线从光纤弹射到人的视网膜上。简单来说，就是用光纤向视网膜直接投射整个数字光场(Digital Lightfield)，产生所谓的影片级现实(Cinematic Reality）。
之所以说是“准全息家用投影”技术，是因为真正的3D全息家用投影技术可以直接家用投影到空气中，而无需佩戴专用的眼镜观看。但Magic Leap的显示技术仍然需要佩戴眼镜，即便最终可以缩小到普通眼镜大小，也仍然如此。当然，Magic Leap的创始人宣称未来将可以实现真正意义上的无需佩戴眼镜的3D全息家用投影，这一点就只有靠时间去检验了。
当然，必须要提醒大家的是，单靠立体显示技术远远不能实现真正的虚拟现实或增强现实系统。但是对普通大众来说，确实很容易产生这种误解，甚至经常会把3D头显和虚拟现实系统混作一谈，因为头戴显示系统是最直观最傻瓜的效果展示方式。
图3-8 Magic Leap的光场技术概念展示
如果想知道一套完整的虚拟现实系统需要通过哪些技术来实现，您需要继续耐心的看下去。
1.https://en.wikipedia.org/wiki/Stereopsis
2.http://www.pcpop.com/doc/0/511/511006_all.shtml
3.http://tech.qq.com/a/20120925/000112.htm
4.https://en.wikipedia.org/wiki/Polarized_3D_system
5.http://www.narkii.com/college/college_103308.shtml
6.https://en.wikipedia.org/wiki/Anaglyph_3D
7.https://en.wikipedia.org/wiki/Dolby_3D
8.http://www.leiphone.com/news/201508/4kuZk8Mhm7xPBIzU.html
9.http://blog.csdn.net/yanzhanyi/article/details/41982033
10.https://www.zhihu.com/question/36921637
11.http://www.pconline.com.cn/3g/2011/611/6111956_1.html
本文节选自国内首本完整介绍虚拟现实技术及其应用的科普类书籍《虚拟现实-引领未来的人机交互革命》第3章 技术篇：虚拟现实的根基
图文编辑：笨猫Janny / 图片来自网络 |
