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VR的特质:无框、自由度和3D互动
VR新科技开创台湾新经济(四)

【作者: 高煥堂】2017年02月08日 星期三

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VR具有3项特质:无框、自由度和3D互动。这带给人们资讯传播的全新途径和感受。无论传播、广告、教育等各领域都带来深度的影响,首先是:从有框到无框。例如,传统美术是在有框的画布外面作画,VR则能够让您在画里作画、在花园里插花、在大肠里看细菌等。第二项是:将视角/视野的自由度归还给观众。观众可以自主选择观看任意视角和剧情。 VR观众的视线是由自己控制的,其目光聚焦在哪里也是自由的。 VR的情节是受观众自由选择所影响的。例如,Google Earth VR让人们(学生)新视野、自由视角,给予一个完全世界,自由展开事物的新诠释,产生新知识。第三项是:多样化的3D互动。 VR 的出现改变了平面世界,构建了三维立体场景,提供情景化及自然互动,让学生从『感受』和『体验』,然后进入『理解』知识。以便需要时,即刻从情境唤起这些『感受』和『体验』。


有框与无框的世界

大家都知道,传统的多媒体几乎都是给使用者一个框框。例如,客厅里的电视机(TV)就是让人们从框外观看框内的节目,就是一个有框的世界。甚至,最近全球爆红的Pokemon GO游戏也属于呈現和互動。"呈现和互动。至于VR,则引导人们进入萤幕的框框里面,给予人们一个完整的世界,带来沉浸式体验(即临场感)。搭配了VR头盔之后,人们就可以左右上下、自由环顾了。


所以,从有框到无框,其意味着,打破萤幕框框,带入临场感。请您领会一则小故事: 法国巴黎有一座铁塔,在兴建铁塔之前,有一位著名文学创作家,天天鼓吹反对兴建该塔,因为铁塔瘦骨嶙峋,很丑又天天开了家窗就不得不看见它,他将无法继续创作下去。后来巴黎铁塔兴建起来了,这位名作家,却每天都去光临该铁塔,到铁塔上咖啡馆坐在窗边创作写小说。理由是:只有进入到铁塔内部(身临其境),才看不见铁塔。 巴黎有铁塔,同样地台北有101大楼。意味著我們在框外,看得見邊框(圖一)。"意味着我们在框外,看得见边框(图一)。



图一 : (左)在框外(有框世界);(右)在框内(无框世界)
图一 : (左)在框外(有框世界);(右)在框内(无框世界)

則意味著我們進入到101樓內部(身臨其境),已經在框內,看不見邊框了(圖一1右)。"则意味着我们进入到101楼内部(身临其境),已经在框内,看不见边框了(图一1右)。


把自由度还给观众

刚才说明了,VR技术将人们从过去的世界帶入到一個"世界带入到一个世界。"世界。这无框世界让人们享受的全新體驗。"的全新体验。传统电视、手机和AR,大多属于有框的呈现(图二)。



图二 : (左)观众在框外; (右)有框的呈现
图二 : (左)观众在框外; (右)有框的呈现

就意味著我在框外,看得見邊框。"就意味着我在框外,看得见边框。反之,意味著我在框內,看不見邊框。"意味着我在框内,看不见边框。一般而言,VR和MR则大多属于的呈現和互動(如圖三)。"的呈现和互动(如图三)。



图三 : (左)看不见框了;(右)无框的呈现和互动
图三 : (左)看不见框了;(右)无框的呈现和互动

传统上,一般电影的导演给观众的是一个框框,而的VR设计者所给的将是一个完整的世界,观众可以自主选择观看任意视角或剧情。所以在在无框的世界里,观众可以随意转头、左顾右看而不会看到框外去(如图四)。



图四 : (左)左顾;(中)正看; (右)右盼
图四 : (左)左顾;(中)正看; (右)右盼

也因为给予观众自由度,才能把奇妙世界带入人们心中,让人们体验和感觉更真实。 VR观众的视线是由自己控制的,其目光聚焦在哪里也是自由的。这种自由度,是许多VR的行业应用里所需要的。


多样化的3D互动

随着电脑科技的进步,影像呈现的精致程度和效率都大幅提升,全景拍摄/剪接技术也更成熟了。动作捕捉和空间定位技术也丰富了VR内容的互动性。其互动式叙事方式带来的视觉、触觉、听觉、味觉、嗅觉等多元互动体验是前所未有的。典型的是头盔显示器(HMD),人们藉由显示器来获得影像呈现,其内含追踪头部动作的感测器。


除了头部互动之外,还有肢体的互动。其在人体的节点佩戴加速度计、陀螺仪等惯性感测器设备,取得身体部位的姿态、方位等资讯,加以修正、处理后,建立起虚拟3D角色(模型),并使得虚拟角色随着人体而自然地运动起来。此外,还有手势操控、眼球追踪等非常多样化的互动技术和产品。


这些与虚拟3D角色的人机互动技术,最近也开始与人工智慧(AI)相结合,开启了VR与人工智慧的激情相遇。例如,4年前制作全息的邓丽君演唱会,去年電影在台灣開拍,今年導演李安的3D電影大片上線。"电影在台湾开拍,今年导演李安的3D电影大片上线。迈向智慧化虚拟 3D互动的新时代。


VR与AI激情结合之一是:VR互动输入多样化,能有效促进学习。而VR与AI激情相遇之二是:VR互动输出动态化,能动态更新内容,包括动态载入AI模组、动态更新素材等。 VR内容与传统电影的差别之一:传统电影:每次看它,内容都一样。而VR内容则是:每次看它,内容可以即时更新。


在AI+VR潮流下,VR游戏里的角色物件都可具有AI能力。例如,虚拟情人都可附有机器学习能力的AI模组。这AI模组可以动态载入到VR终端去运行,让虚拟情人能够愈玩愈了解玩家主人,对主人更体贴善解人意。于是VR协助我们创造更多智慧型角色。包括:AI虚拟教师、导游、Show Girl等。


VR技术的挑战

为了充分发挥上述VR的三项特质:无框、自由度和3D互动;还有许多技术瓶颈有待克服。例如,为了实现无框的呈现,需要VR技术来欺骗人们的大脑,让人们沉浸到虚拟世界之中,享受的體驗。"的体验。所以,VR技术也是一种欺骗大脑的技术。


其中最主要的技术就是。"。人眼的视觉是可以感觉出深度的,基于深度资料就能判断出立体空间中的相对位置。由于两个眼睛的位置不一样,所以看到的东西会有视差,得到不同的影像,然后人脑再将这两个影像做融合,而产生出3D的立体景象。


例如,Google I/O会议上展示了一个VR城堡防卫游戏,由电脑绘制出3D的虚拟模型,再透过VR眼镜,提供模拟两眼的视像,让大脑合成3D立体影像,产生景深,感觉身历其境(图10)。



图五 : 视觉欺骗技术
图五 : 视觉欺骗技术

利用感测器(Sensor)追踪用户头部的运动,随着头部的姿势移动来显示3D内容。例如,戴上了HTC Vive头显,用户可以上下左右随意环顾,而VR的虚拟世界的特定部分就呈现在眼前了。


目前VR最主要的沉浸体验(也是VR最大特点),就仰赖于视觉(欺骗)上。无论是跟随头部动作的画面,全方位的3D景深,都能栩栩如生地出现在眼前。头盔设备的清晰度和延迟方面都在快速发展中,目光所及的虚拟(无框)世界,让人们感觉越来越真实(骗术愈高明)。


有待突破的挑战:眩晕感

刚才提到了,VR技术就是欺骗大脑的技术。然而,目前的技术还不够高明,无法完美的欺骗大脑,就常常会产生眩晕感、甚至呕吐。所以,眩晕感(或称晕眩感)是目前VR技术的主要挑战。


眩晕感是目前VR设备常带来的副作用之一,它是由视觉与动觉的不一致所引起。人体是由眼睛和内耳平衡器官来判断是否在运动中,在正常环境下,两者所传送给大脑的资讯是一致的。一旦产生运动的不和谐就会带来眩晕感。例如,在乘车时,如果坐在封闭的车厢(看不见窗外景色),在颠颇道路上行驶,视觉上是静止的,但内耳器官传达给大脑的知觉却是「身体在动」,这种不和谐就容易引起眩晕。


此外,许多武侠VR游戏中,常常有飞翔的视觉,眼睛所见到的景象告诉大脑「我正在运动(飞翔)」,但是内耳器官却传递给大脑静止的知觉,这种不和谐常常引起眩晕,甚至导致了呕吐。因此,在开发VR内容时,宜尽量避免设计太多的跳跃或飞翔情境。


视觉与头部运动的和谐性

典型的是,人们藉由头盔显示器(HMD,简称头显)来获得影像呈现,头显也内含感测器来追踪头部动作,然后根据头部的姿势移动来显示内容。例如,你戴上HTC Vive头显,就可以上下左右、左顾右盼,头显就会将3D影像的特定部分呈现在眼前。


为了降低眩晕感,除了3D虚拟场景的逼真视觉,还得要视觉与头部动觉保持和谐姓。例如,当转动头部的时候,看到的图像并不会随着视线立即移动,这就是延迟(Latency)。视觉延迟(慢于动觉)常常导致视觉与头部动觉不一致,大脑就警觉了,逐渐产生眩晕感。其解决方法就是力求提高刷新率来降低延迟,而低延迟意味着视觉与动觉愈一致,眩晕感就降低了。一般而言,在VR中,如果帧率在60fps或90fps以下,就会引起用户的不适感觉。


视觉与身体运动的和谐性

在力求视觉与動覺的一致性之外,還得追求視覺與"动觉的一致性之外,还得追求视觉与運動的和諧性。"运动的和谐性。例如,基于Oculus Rift/Omni跑步机(图11)的VR游戏中,眼睛所见到的景象告诉大脑「我正在跑步移动」,但是内耳器官却传递给大脑静止的知觉,这种不和谐常常引起眩晕感。



图六 : 跑步机
图六 : 跑步机

在跑步机上,蹲跳不流畅、更飞不起来,但视觉却告诉大脑说:身体在蹲跳。例如,在游戏中,人的脚有跑步的动作,眼睛看到自己在游戏中的角色也在跑动,但是但是内耳器官却传递给大脑静止的知觉,大脑觉醒了,分泌出毒素,逐渐让人感到晕眩想吐。此时,我们可以找个方法来替代跑步机,让身体可以自由移动和跳跃,成为更高明的骗术、让大脑感觉更和谐,晕眩感就降低了。


于2016年4月份,HTC公司推出Vive VR产品,采取Lighthouse空间定位系统,让人们可以在一个空间内自由移动、跳跃,提供了更高明的骗术,让大脑感觉更和谐,晕眩感就大幅降低了。于是,被评为当今沉浸体验最佳的VR设备。 HTC Vive藉由两个镭射盒子(基站),其内建了 LED 镜头,加上一对快速转动的镭射发射器,进行快速的扫射整个空间(图12)。加上其头盔和手柄都嵌入了镭射感测器来接收基站发射出来的LED闪光和雷射光束,进行极为快速精准的空间位置追踪(图13)。


图七 : 镭射盒子(基站)
图七 : 镭射盒子(基站)
图八 : 头盔和手柄含有感测器
图八 : 头盔和手柄含有感测器

这项Lighthouse空间定位系统,能精确侦测到头盔的位置和移动方向,并迅速传送到电脑,加快显示3D影像的呈现,可大幅降低延迟,达到更佳的视觉欺骗。同时,这项全球独一无二的空间定位技术,以360度空间精准侦测头盔和手柄踪,让人们能在特定空间的虚拟世界中自由走动,以自然的肢体动作,来和虚拟世界互动。其360度的房间动作追踪,让人们在此空间内来探索虚拟世界,达到更佳的身体动觉欺骗。所以HTC Vive的体验性最好,连迪士尼首席漫画家都很称赞,还利用HTC Vive在空中挥动手指,即时画出動畫。"动画。


充分的和谐性

VR产业包含三大块:硬体、素材和应用。硬体和素材的品质深深影响VR的应用体验。高效能的硬体和卓越的素材,是提供良好体验的基础条件,加上应用的互动设计,来充分提供VR的五项感觉:视觉、触觉、听觉、味觉和嗅觉(图14)。



图九 : VR的五项感觉
图九 : VR的五项感觉

例如,在VR内容设计上,常常把人们的身体当作键盘或滑鼠,提供触觉体验的资讯,进而进一步影响视觉的呈现。这些新颖的互动不限于视觉,还有听觉、触觉体验等。


所以,VR技术不仅仅是软硬体技术,还包括内容素材创作和应用互动设计等技术,随着这些技术的成长,晕眩感将逐渐降低,上述五项感觉将逐渐提升,也将带来更多采多姿的无框世界和更完美体验,而充分发挥VR的三项特质(无框、自由度和3D互动)。


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