虚拟现实：开启人机交互下一场革命
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原标题：虚拟现实：开启人机交互下一场革命
　　近年来，虚拟现实技术（VR）及增强现实技术（AR）作为一种全新的人机交互方式，被业界广泛认为是继智能手机之后的下一个风口。年，各大巨头纷纷抢滩虚拟现实领域，预计2016年虚拟现实市场将迎来爆发并形成竞争激烈的红海格局。
　　当以20亿美元收购虚拟现实公司OculusVR还被看作“摸不着头脑”的事件的时候，虚拟现实的浪潮已扑面而来，各巨头早已闻风而上。三星在2014年9月发布了GearVR眼镜，英特尔则于2014年11月投资了虚拟现实公司Avegant，并与谷歌合作研发新的3D摄像机和虚拟现实技术，谷歌和高通在2014年10月投资了主推VRD（虚拟视网膜技术）的初创公司MagicLeap，于2015年1月推出了全息技术Holographic和HoloLens眼镜。此外、英伟达、HTC、卡尔蔡司、爱可视国际巨头等均推出了自己的虚拟现实产品。曾经引领智能手机发展的苹果公司，也先后收购了面部识别技术公司PolarRose、成像技术公司Imsense、运动捕捉技术公司PrimeSense、增强现实技术公司Metaio，并于近日收购了《星球大战》背后的动作捕捉技术公司Faceshift，也在加紧布局虚拟现实领域。虚拟现实变得越来越炙手可热，国内企业也不甘落后，除了领军企业蚁视科技以外，暴风、乐视、魅族等公司也推出了自己的虚拟现实产品，而互联网巨头BAT、小米、360等公司，也在这一领域招兵买马，跃跃欲试。
　　2016年虚拟现实及增强现实市场有望迎来小爆发，全球市场规模将达到50亿美元，VR设备销量达1500万台；预计到2020年，全球虚拟现实及增强现实市场规模将达到500亿元。由于便利性的问题，完全沉浸式设备更多适用于与电影，而无需佩戴眼镜的增强现实产品将会在生活和工作中有更大的作用，预计未来增强现实产品市场更加广阔。同时，2015年大量国内企业进入虚拟现实领域，缺乏核心技术，产品同质化严重，内容匮乏，预计2016年虚拟现实领域将形成红海格局，年将有大量企业退出。
(责编：沈光倩、杨虞波罗)
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人 民 网 版 权 所 有 ，未 经 书 面 授 权 禁 止 使 用
Copyright &
by .cn. all rights reserved感官世界与人机交互的盛宴─未来虚拟现实养成记
发表于 11:02|
来源程序员电子刊|
作者程序员电子刊
摘要：拥有苹果人机交互实验室和谷歌X实验室研发经验的顾志强，将丰富的感官科技，包括：触觉、嗅觉、心率、眼球等科技盛宴带到读者面前，展示未来VR人机交互的各种可能性。
《程序员》电子刊为您提供最前沿的技术新知，让开发者在云计算、大数据、移动开发时代，成为业界领航者。您将掌握第一手业界动态、世界趋势，包括专家丰富而完整的倾囊相授和更深入的报道。如果您想投稿，请发送邮件至zhangzy#csdn.net（请把#改成@）。什么是真实？在电影黑客帝国中，电脑接管了人类的视觉、听觉、嗅觉、触觉等讯号，让人们从出生开始就生活在虚拟世界中却浑然不知。这虽然是科幻片，但令人浮想联翩。2014年，Facebook20亿美金收购了Ocumulus Rift。同年Google I/O，Google发布了Cardboard，一款利用廉价纸板和手机屏幕就可以实现虚拟现实的DIY设备。2015年初，Microsoft公开了一款介于虚拟与增强现实的头戴设备HoloLens，现场演示着实惊艳。此外各大公司与游戏厂商都纷纷在虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）领域布局，众多初创公司也在摩拳擦掌，于是VR顿时成了一个炙手可热的话题。虽然黑客帝国中描述的故事不太可能在现实发生，但VR以及VR所带来的全新体验已然走近了寻常百姓家，为人津津乐道。怀着好奇心，我们来探讨VR背后的黑科技。我们从感官世界（视觉、听觉、嗅觉、触觉）以及人机交互的角度讨论如何建造黑客帝国，实现身临其境的体验。同时分析产业趋势和机遇。感官世界VR的目的是要通过模拟各种声光色电信号来还原真实或者虚拟的场景，超越时空的距离，并且制造逼真的具有代入感的体验。作为输入信号的感官模拟自然首当其冲。目前大部分的VR设备主要侧重在重构视觉与听觉，然而这仅仅是虚拟现实技术中的冰山一角。未来的VR可以同时传递多种感官信号。想象你住在北京的胡同里，戴着VR头盔在游览意大利佛罗伦萨街角的一家水果店。你看到了水果店周围的古朴建筑和主人的微笑，同时你闻到了新鲜水果的味道。于是你伸出手，居然还能感受到水果的质地，仿佛置身当地一般，毫无二致。最近看到一些尝试模拟多种感官的VR设备，比如Kickstarter上的FeelReal【1】，可以感受气味，风，热，水雾，以及震动。这类设备的用户体验仍然有待提高，目前并不完善。然而在学术界，相关的研究已经持续了好几十年。下面我们来细数VR背后的黑科技。【视觉】如何保证VR屏幕上得到的影像是逼真的呢？主要的解决方案是通过融合左眼和右眼的图像来获得场景的纵深感（如图1所示）。这里又要分两类来看：对于虚拟场景的重现，主要是通过计算机图形学对合成物体作逼真的渲染，然后分别投影到头盔佩戴者的左右眼来实现；而对于真实场景的重现来说，侧重在于如何采集现场画面，并且能够完整地记录下场景的几何信息。这个可以通过体感相机（比如Microsoft Kinect）或者相机阵列进行(如图2所示）。比如说Google今年推出的Jump就采用了16台GoPro来制作虚拟场景的内容，达到可以逼真还原现场拍摄的效果。图1 Google Cardboard的机身由纸盒子做成图2 人眼的Field of
View (FoV, 视场）通常可以达到180度。而普通相机的视角最多只能到达150度。宽阔的视场更能让人具有身临其境的代入感。【听觉】声音配合画面才能淋漓尽致地展现现场效果。一般的声音录制方法并不能完整还原环境的三维信息。而三维声音，也称为虚拟声(virtual acoustics)、双耳音频(binaural audio)，则利用间隔一个头部宽度的两个麦克风同时录制现场声音。该方法可以完整地保存声音源到双耳的信号幅度以及相位的差别（如图3所示），让听众仿佛置身现场一般。颇有意思的是，麦克风的外围竟有人耳的造型以及由类似皮肤的材料构成，这样可以最大限度地保存外部声音导入人耳的整个过程。更有甚者（如图4所示），有人构建了三维声音阵列，可以将360度全景声音全部录入，然后通过头部的转动选择性地播放出来。笔者曾试用过这套系统，音质极佳，令人震撼。图3 利用间隔一个头部距离的一对麦克风可以忠实地记录从声音源到双耳的传递过程图4 左图为3Dio公司的三维音频输入设备
右图进一步将8台麦克风做成360度阵列用以VR展示【嗅觉】如何让VR盒子带来“暗香浮动月黄昏”的感受？嗅觉虽然并不是VR必须的输入信号，但能够极大程度丰富VR的体验。将嗅觉嵌入到影片里的尝试可以追溯到半个多世纪前（比如Smell-o-Vision)。而通过电子调控方式实现气味合成也已经有好几十年历史，比较著名的比如iSmell公司。合成气味的方式通常是由一堆塞满了香料的小盒子组成，也被称作气味工厂。每一个小盒子可以单独地被电阻丝加热并散发出对应的气味。同时加热多个小盒子就可以将不同的气味混在一起，如图5。FeelReal就宣称采用了拥有7个小盒子的气味工厂来合成气味。当然，这项技术距离实际应用还有一段距离，主要难点在于如何精确地采集，分析，以及合成环境中的任意气味。图5 将气味香料放在不同的小盒子里通过单独加热来释放和混合【触觉】触觉（haptics）可以将虚拟的对象实物化，不仅看得见，还能“摸得着”。如何模拟不同物体的触感是一个非常热门的研究课题。最简单的触感可以通过不同频率的器件震动来实现，条件是皮肤与头盔或者手套相接触。触感的的获得甚至可以隔空完成。比如UltraHaptics【2】，通过聚焦超声波到人的皮肤来实现“隔空打耳光”的功能;-) 再比如迪士尼的Aireal 【3】，可以通过精确地压缩和释放空气产生空气漩涡（vortex ring）来“打击”到皮肤表面（见图6）。类似的触感还可以通过镭射激光来操作，最新的进展可以参见【4】。图6 ： 通过相位阵列聚焦超声波到空间任意点产生振动，并可以调整频率和节奏产生不同的触感。右：迪士尼的Aireal项目 [3] 通过远距离发送空气漩涡波撞击皮肤产生各种触感。两个项目都使用了体感相机（Kinect）来识别定位手的位置。前者通过相位调控电子地调整波束方向，后者通过马达机械调整空气漩涡的发送朝向。人机交互聊完了丰富多彩的感官世界，我们再来看看VR中的控制部分。一般的VR头盔拥有丰富的传感器比如前置相机，陀螺仪，加速度计，感光器，近距探测器。也可以添加诸如心率监控，眼球跟踪等传感装置。这些传感器的使用赋予了VR设备许多新颖的功能以及交互体验。【头部控制】最常用的莫过于头部控制了，主要利用陀螺仪来检测头部的三维旋转角度并对屏幕的显示内容作相应调整。绝大部分的VR盒子都能实现这个基本功能，在此就不多作介绍了。【手势控制】手势控制可以大大增强互动性与娱乐性，尤其对于游戏玩家非常必要。这里又要分成两类：第一类是通过穿戴类似wii控制器的手套来实现手势的识别；第二类则直接利用头盔上的外置相机通过计算机视觉的方法来识别和跟踪手势。对于后者，往往需要类似Kinect这样的深度相机才能准确地识别手势。LeapMotions, SoftKinetics等公司在VR手势控制上已经有不少成熟的demo（图7）。图7：手势控制可以大大增强互动性与娱乐性，尤其对于游戏玩家非常必要。【眼球控制】想象3D场景随着你的眼睛转动而改变！比如Kickstart上的FOVE【5】尝试的正是如何使用眼球跟踪技术来实现VR游戏的交互。眼球跟踪技术在VR盒子或者头盔上并不难实现，一般需要在盒子或者头盔内部装载一到两个对着眼睛看的红外相机即可。除了基本的眼球追踪之外，还可以识别特定的眨眼动作用来控制屏幕等。 除了游戏控制之外，眼球跟踪还有很多其他应用。比如可以模仿人眼的生物学特性，仅仅将图像聚焦放在眼球关注的地方，而将图像其余部分动态模糊掉。这样的处理会让3D影像显示变得更加真实，同时还能有效地聚焦图像以及省电。【心率控制】不是有一句话说得好吗：玩得就是心跳！心跳可以反映人的当前状态，比如兴奋，恐惧，处于放松或者有压力的状态。检测VR使用者当前的生理状态就可以动态地调整影像内容以及音效来实现一些超现实的效果。比如说，当心跳较快即人处于兴奋状态时，可以动态地调高图像播放速率来匹配人目前的运动节奏让运动来得更猛烈一些。或者利用负反馈的调整让人可以迅速平静下来，很适合休息或者冥想。结论“你选择红色药丸还是蓝色药丸？”，影片黑客帝国抛出了这样一个令人深思的问题。选择蓝色药丸可以一如往常的生活在虚拟世界里；选择红色药丸则必须鼓起勇气面对真相。我觉得，VR技术可以帮助人们更好地体验真实的世界，从感官到人机交互上会给人很多想象空间。相信本文中所提到的很多技术不久就会进入寻常百姓家。随着VR技术的深入发展和普及，人们的生活体验会变得更加丰富多彩，从此不必再受时空拘束。【1】FeelReal: 【2】UltraHaptics: 【3】Aireal: 【4】Ochiai et al. Fairy Lights in Femtoseconds: Aerial and Volumetric Graphics Rendered by a Focused Femtosecond Laser Combined With Computational Holographic Fields. SIGGRAPH 2015【5】FOVE: <img src="http://ipad-cms.csdn.net/cms/attachment/e40b77bc476.png" 作者简介：顾志强，计算机科学博士。热爱研究和分享黑科技带来的最新成果。曾先后在苹果人机交互实验室与谷歌 [x] 实验室，从事苹果手表触屏以及谷歌眼镜的研发项目，并取得多项专利和若干创新项目奖项。本文节选自他目前正在筹备的新书《硅谷黑科技》。本文选自程序员电子版2015年9月A刊，该期更多文章请查看。2000年创刊至今所有文章目录请查看。欢迎（含iPad版、Android版、PDF版）。
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为了更好帮助企业深入了解国内外最新大数据技术，掌握更多行业大数据实践经验，进一步推进大数据技术创新、行业应用和人才培养，-12日，由中国计算机学会（CCF）主办，CCF大数据专家委员会承办，中国科学院计算技术研究所、北京中科天玑科技有限公司及CSDN共同协办的2015中国大数据技术大会（Big Data Technology Conference 2015，BDTC 2015）将在北京新云南皇冠假日酒店隆重举办。
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人机交互实验题目
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你可能喜欢VR技术能否终结游戏对人类的欺骗史？
来源：财经综合报道
作者：虎嗅网手游猎人
　　虚拟现实技术（Virtual Reality）简称VR技术，运用计算机程序与一系列硬件设备，模拟出视觉、听觉、触觉等感官体验，令用户在程序构筑的虚拟世界里身临其境。近年来，VR技术广泛运用于游戏领域，力求使玩家体验到更拟真的游戏互动。
　　相当长一段时期里，游戏都是以按键来进行人机交互的（摇杆也是一种特殊按键）。而游戏中出现得最多的战斗方式――刀剑和枪械，无一不是用按键来操作。X键挥、R键举盾，或者摇杆瞄准、X键开火。
　　枪械还说得过去，开枪时的扣扳机动作也只是动动手指；但是坐着不动，光靠手指按手柄这种操作，跟现实中刀剑的使用方法是完全的两回事，从还原事物原貌的角度看，太别扭了。
　　VR技术出现后，专门用于模拟刀剑的VR游戏体感控制器，能给这种别扭的刀剑战斗交互体验带来质的改变吗？
　　刀光剑影，冷兵器是游戏世界里的文化主流。讲述一段恢弘的史诗的游戏，不一定要出现枪炮，但一定会出现刀剑。在VR概念大热之前，一款动作游戏要如实地体现冷兵器的打击感，只能从画面打击感、视觉冲击力上做文章。而号称能将玩家的体验扩展到听觉和触觉的VR技术，并没有使刀枪战斗的还原度提升一个档次。
　　最明显的短板，体现为操作方式和操作反馈两方面。在这两方面，VR游戏与之前的游戏体验一样，始终与真实的刀剑战斗大相径庭。现在随便哪个购物商城都能见到收费的VR体验游戏（坊间所谓高科技“9D”游戏），你看看里面有哪一款是用刀来战斗的？清一色“突突突”的射击游戏。
　　操作方式：自欺欺人
　　先来说说枪的还原，以往游戏中的手柄、鼠标，抑或VR游戏中的道具枪，都能70%还原出枪战的实感。“瞄准”和“开火”是射击运动的两大精髓，而手柄、鼠标和道具枪都可以很好地驾驭这两种操作。
　　不过“还原体验”这种任务落到刀剑题材游戏的身上，就让开发者头痛至今。游戏机标配控制器都是按键手柄，而现实中的刀剑是要挥舞手臂来发动攻击的。直到任天堂游戏机Wii的出现，装载了重力加速感应元件的Wii原装手柄：Wii Remote，解决了刀剑动作游戏操作方式上的违和感。而体感操作机能，在一定程度上使Wii主机称得上一种VR设备。
　　然而Wii Remote仅仅消除了部分违和感。现实中，刀剑在空中挥舞的角度只要偏差一点，剑刃在空中画出的就是一条不一样的轨迹，而在仿真度最高的Wii游戏《Wii Sport》里，人物的挥剑动作只有上下左右和左上左下右上右下加起来八个动作。现实的剑术对战中，如果一方只会呆板地往这八个方向挥剑，他的下场会很惨烈。
　　然而这并不是硬件技术上的瓶颈所导致，加速度感应加上坐标系，足以让VR游戏控制器在空间中画出任意轨迹，关键在于挥剑动画的制作成本上。若使游戏中剑刃的挥舞轨迹与现实中的轨迹一致，那不同的轨迹数量将是成千上万条，相应地，预先录入数据库的人物动画就是以成千上万组计算的。为了让成千上万的人物挥剑动作看起来不生硬，就得进行N次动捕，并且将动捕结果与剑刃轨迹一一匹配。这是非常巨大的工作量。
　　退一万步，假设前面说的挥舞式VR操作方式的问题都被解决了，更严重的技术瓶颈在等着开发者们――挥舞式的体感操作生效后，对玩家的感官要产生反馈。这些反馈如何实现？这是摆在游戏开发者们面前更大的难题。
　　操作反馈：不可能的任务
　　还是先说说射击游戏在操作反馈上的还原度。现实中的实弹射击，对于人的反馈有强大的后坐力和刺耳的爆鸣声，前文说过现今射击游戏还原度已达70%，剩下的30%就是后坐力和爆鸣的还原。
　　问题是，枪支的后坐力会使手臂发麻和短暂阵痛，爆鸣声让玩家面临失聪的危险。还原这些对玩家来说是非常痛苦的体验，而且分分钟会吓跑玩家。所以射击游戏用视觉上的准心上扬，或者手柄的震动来表达后坐力，枪鸣声也控制在了耳朵觉得舒适的响度内。
　　至于发射出去的子弹，开发过射击游戏的朋友一定知道，射击游戏在整个开枪到命中的过程中，“子弹”是不存在实体的，只有一条“弹道曲线”。要在视觉上让玩家看到子弹的落点真的会受到重力和风阻的影响，这只需要加入重力和风阻的算法来修正弹道曲线即可。
　　这就是射击游戏的反馈：系统视觉上的准心上扬，弹道偏移，听觉上的枪响，触觉上的手柄等控制器的震动，这些在VR之前的游戏硬件上都可以轻易实现。
　　刀剑的操作反馈则另当别论。砍中物体的手感，可以说是砍杀体验中不可或缺的元素，这甚至能唤起玩家原始的杀戮快感。然而，虚拟与现实的最大矛盾，恰恰就在砍中物体这一刻。
　　以挥刀砍巨石为例，当我们握着VR体感控制器，从左向右挥舞，游戏中的刀刃砍中了石头后，画面上的刀身就停在石头表面了。甚至在更逼真的设定中，刀会往左边反弹，如《怪物猎人》中的经典设定“弹刀”。可笑的是，现实中玩家的手什么也没砍中，继续挥向右侧。游戏里在吃力地砍物体，现实中在砍空气。
　　由此现象还延伸出了刀剑的重量的触觉反馈问题，具体表现为现实与虚拟世界动作不同步。为了看上去拟真，游戏中挥舞武器的动作会跟任务装备的武器相符。游戏里全力挥舞匕首和全力挥舞大剑，哪种动作更迅速？但是现实中我们玩家手持的控制器是一直是同一个，如果游戏中装备匕首时玩家正常挥舞的动作和画面中速度一样快慢，那么装备大剑后游戏人物的挥舞动作会变得很慢，玩家必须刻意用力放慢动作才能与画面同步，除非VR游戏控制器自己能产生相应的阻力，使玩家产生沉重的手感。
　　如何让游戏控制器对玩家的手产生足够强有力的触觉反馈，这种反馈的力量甚至能反过来影响玩家的动作？目前的技术似乎都没法在不影响其他游戏体验的情况下做到。
　　小猎设想过一些方案，从游戏控制器内部产生推力的方案，受限于控制器体积太小，只能使用核动力，但是带来安全问题（呃。。。）；从外部通过力场（如强磁场）作用于控制器的话，又会影响到游戏设备上的（或玩家身上穿戴的）金属物体。
　　目前，此题无解。有一种取巧的方式：把剑设计成《星战》中的光剑，无论换哪种光剑，重量都差不多；光剑没有实体，砍到东西就像砍空气一样动作不会停下。
　　但是，星战中的设定是“光剑与光剑相碰时会产生冲击力”，所以开发商想使用这种投机设定的话，只能让玩家永远遇不到同样使用光剑的敌人。只是如此一来，游戏就从“用剑战斗”简化成了“剑的使用”罢了。
　　综上，游戏（包括VR游戏）中模拟的刀剑战斗体验尚未令人满意。游戏开发者依旧只能用跟现实完全不符的操作方式，“欺骗”玩家，使玩家以为自己在用剑厮杀。
　　游戏一直在欺骗玩家
　　其实，从世界上第一台游戏机诞生开始，游戏就一直在欺骗玩家的世界观，即便这是因为技术瓶颈，并没有恶意。世界上第一台家用游戏机HOME-PONG，用黑画面上的两个白色长方形物体告诉玩家“这是球拍和球”，于是，玩游戏的玩家就都以为自己在电视上打网球。
　　同样的“骗术”说起来玩家一定都体会过：用定义好行为模式的NPC使玩家认为这个世界有很多人，用建筑风景的贴图告诉玩家这个世界很大，用打不开的门和无法越过的空气墙指引玩家“找到”唯一的通关出口等等。
　　游戏毕竟不是现实世界，存储介质目前几百G的容量，甚至未来几百T的容量，也无法使游戏世界容纳现实中一个小房间中所有物体，以及赋予其上的各种物理法则。所以游戏开发者们只能有所取舍，将他们想表达给玩家的世界中的部分要素呈现出来，无法面面俱到。
　　但是VR游戏身上肩负着“让玩家在虚拟世界中身临其境”的重任，却连游戏世界最重要的刀剑砍杀体验都给不了，仍然要靠欺骗玩家来使玩家认知游戏中的刀剑战斗。这难免令人怀疑VR技术运用在游戏上，到底对游戏体验有什么质的改变。毕竟从理论上讲，“游戏”本身就是一种VR技术。
　　说起VR，给人印象最深刻的依旧只有千篇一律的头戴式显示器和摇晃的座椅，而Virtual Reality这两个单词所背负的含义远不止这些。小猎认为，随着虚拟现实技术的迭代，真正完善后的VR技术将终结游戏对人类的欺骗史。
(责任编辑：陈洋)
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