漫步虛擬現(xiàn)實：Valve是如何營造VR體驗的？

在虛擬現(xiàn)實（VR）這樣一個新興產(chǎn)業(yè)里，獲得了最多注目的自然是明星公司Oculus。很多人都體驗過Oculus Rift，知道VR頭顯會是一種什么樣的體驗。但是由Valve和HTC合作而開發(fā)的Vive，就沒有那么多人體驗過了。最近筆者有幸接觸到了HTC Vive，盡可能的向大家解釋Vive到底在體驗上，與Oculus有何區(qū)別，以及它有什么過人之處。

說到Vive就不得不提到Valve。核心游戲玩家都對Valve的大名如雷貫耳：他們開發(fā)了《半條命》（Half-Life）系列，《反恐精英》（Counter Strike）系列，《傳送門》（Portal）系列，以及《Dota 2》。但是這點就不是那么多人知道了：Valve同時也是VR產(chǎn)業(yè)的技術先鋒。

Valve是一個特別有創(chuàng)造力的公司。這可以部分歸功于Steam極度盈利，Valve沒有業(yè)績壓力。在Oculus的早期Valve就已經(jīng)介入并且?guī)椭鶲culus解決了很多技術難題并且讓自家游戲（《半條命2》）支持Oculus，可以說Valve實際上是跟Oculus一樣的VR產(chǎn)業(yè)先鋒，而且在某種意義上來說他們的技術更加先進。后來Valve停止了和Oculus的合作，轉向HTC，推出了現(xiàn)在我們看到的HTC Vive，以及Valve獨家的VR定位技術Lighthouse。Lighthouse才是HTC Vive相比于其他VR頭顯的鶴立雞群之處，在這里需要好好解釋一下Lighthouse的基本原理。

頭動跟蹤是VR頭顯非常重要的技術指標。要做到頭動跟蹤，最傳統(tǒng)的方法是使用慣性傳感器，就像我們每日都用的智能手機那樣。但是慣性傳感器只能測出轉動（繞XYZ三軸轉動，稱之為三個自由度），無法測量出移動（沿XYZ三軸移動，另外三個自由度，合起來稱之為六自由度）。另外一點，就是慣性傳感器的誤差比較大——想要VR頭顯的誤差達到理想水平，可能需要洲際導彈上的慣導系統(tǒng)。

所以說更精確和自由的跟蹤頭部運動，需要額外手段的輔助。

Vive沒有采取通常的使用光學鏡頭和馬克點的定位系統(tǒng)。它使用的這套定位系統(tǒng)叫做Lighthouse，由兩個基站構成：每個基站里有一個紅外LED陣列，兩個轉軸互相垂直的旋轉的紅外激光發(fā)射器。轉速為10ms一圈?；镜墓ぷ鳡顟B(tài)是這樣的：20ms為一個循環(huán)，在循環(huán)開始的時候紅外LED閃光，10ms內(nèi)X軸的旋轉激光掃過整個空間，Y軸不發(fā)光；下10ms內(nèi)Y軸的旋轉激光掃過整個空間，X軸不發(fā)光。

Valve在頭顯和控制器上安裝了很多光敏傳感器。在基站的LED閃光之后就會同步信號，然后光敏傳感器可以測量出X軸激光和Y軸激光分別到達傳感器的時間。這個時間就正好是X軸和Y軸激光轉到這個特定的，點亮傳感器的角度的時間，于是傳感器相對于基站的X軸和Y軸角度也就已知了；分布在頭顯和控制器上的光敏傳感器的位置也是已知的，于是通過各個傳感器的位置差，就可以計算出頭顯的位置和運動軌跡。

從理論來講，Lighthouse的精度依賴于系統(tǒng)的時間分辨率。這也就意味著，光敏傳感器的分布之間需要一定的距離，設備不能制造的太小。光敏傳感器本身也有一定寬度，如果傳感器“擠”在一起，間距達到了傳感器本身的寬度量級，那么測角本身就會出現(xiàn)誤差了。Lighthouse具體能支持多高的測角精度，Valve并沒有給出數(shù)據(jù)。同時，Valve也表示，需要至少5個傳感器才能夠保證一個剛體的6自由度跟蹤。

這個系統(tǒng)有很多優(yōu)勢。第一條是其需要的計算能力非常小。一個光學系統(tǒng)需要進行成像，然后程序就需要通過圖像處理的方法來將成像中的馬克點分辨出來。成像的細節(jié)越豐富，需要的圖像處理計算能力就越高。所以紅外攝像頭比單色攝像頭簡單，單色攝像頭比彩色攝像頭簡單。Lighthouse使用的僅僅是時間參數(shù)，那么它就不涉及到圖像處理，對于位置的計算在設備本地就可以完成。

第二個優(yōu)點是其延遲也很小。計算能力需求高就意味著延遲會高：圖形處理的大量數(shù)據(jù)要從攝像頭傳輸?shù)诫娔X中，再從電腦傳輸?shù)筋^顯上，就會增加延遲。而Lighthouse可以直接將位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上，省略了從攝像頭到電腦的高數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E。

所以Lighthouse造就了目前最好的VR體驗。Vive的頭動跟蹤和手柄跟蹤都非常精確，延遲極低，用戶甚至可以做出將手柄拋來拋去的動作。就個人體驗而言，Vive的頭動和手柄跟蹤的精確程度已經(jīng)讓人真的產(chǎn)生了“這就是現(xiàn)實”的錯覺——你會不自覺的對你在整個環(huán)境中所能做到的事情產(chǎn)生更高的期望，比如大動態(tài)的動作，試著去伸手夠到遠方的物體，等等。在這種情況下，Vive所默認的只有手柄的交互體驗就會顯得十分不自然，在虛擬現(xiàn)實中的身體感知就是十分迫切的了，而全身動捕在這里大有可為。

除開Lighthouse，Vive作為頭顯本身體驗也不錯。屏幕分辨率很高，紗窗效應十分不明顯——用戶需要有意識的注意才能夠注視到像素點。Vive使用的是菲涅耳透鏡而非Oculus用的球面鏡，優(yōu)點是色散低，所以沒有Oculus那么明顯的色散補償效應，缺點則是透光率低，開發(fā)者自己開發(fā)的應用需要調(diào)很高的亮度才能在頭顯里看起來正常。另外使用菲涅耳透鏡的一個缺點是：對佩戴者的視點要求很嚴格，稍微有一點點的錯位，看上去就一片模糊。而Oculus Rift的普通球面透鏡允許一定的錯位。

Lighthouse并不是沒有缺點——可以說，就現(xiàn)在所接觸的設備而言，Vive目前并仍然是開發(fā)機狀態(tài)，在某些基本問題上HTC仍然需要對硬件進行改進。Lighthouse的兩個基站里有旋轉部件，所以其可靠性尚待檢驗；基站本身的安裝和校準的要求實在是相當精密，對一般消費者而言，門檻過高。作為VR從業(yè)者，我們?nèi)匀磺扒昂蠛蠡瞬畈欢鄡蓚€下午的時間才真正將Lighthouse調(diào)試安裝完畢，達到精密完美的狀態(tài)。而且，高速旋轉的部件帶來了基站的震動——這種震動會導致跟蹤變得不精確，手柄經(jīng)常出現(xiàn)抖動和跳變的情況。需要將基站固定的十分牢固，才能夠獲得比較滿意的效果。而且，基站震動久了就會變松，用戶需要時不時的重新固定。

設備本身也有改進余地：頭顯本身有點重，使用可以伸縮的織帶固定，所以頭顯的整個重量都壓在臉上，佩戴不是很牢固。留給鼻子的空間太大（照顧歐美人的臉型），戴正了以后還是可以明顯感受到外界的光線。手柄本身的材質(zhì)看起來也十分脆弱而廉價，讓人擔心會不會很容易就把它磕碰壞掉。這些問題并不是不能解決的，比如基站安裝和校準的問題，就原則上可以通過更加精細的說明指導來解決。筆者希望HTC能夠在消費者版公布的時候解決這些問題并且推出更加完善，更加對用戶友好的Vive。

一個視頻告訴你Lighthouse的工作原理：

如果有機會，在之后的文章中，我們將討論Vive所帶來的室內(nèi)（Roomscale）VR體驗。