元宇宙是美国科幻小说家尼奥·斯蒂文森1992年在雪崩中提出的概念是，现实世界中的人在网络世界中有一个分离，这个由分离组成的世界是元宇宙。如今，随着虚拟现实技术的发展，元宇宙逐渐从科幻小说走向现实。
作者：王寒 张义红 王少笛
01 什么是虚拟现实？
虚拟现实一词实际上包含了多个技术分支，如AR/VR/MR等。
AR是Augmented Reality缩写，通常被称为增强现实。AR定义广泛，技术种类繁多。目前主流AR指通过设备识别和判断(二维、三维、GPS、体感、面部等识别对象)将虚拟信息叠加在基于识别对象的位置，并在设备屏幕上显示，从而实时交互虚拟信息。
VR是Virtual Reality缩写通常被称为沉浸式虚拟现实。VR它为用户提供了一种完全沉浸式的体验，让用户有一种置身于现实世界的感觉，是一种先进、理想化的虚拟现实系统。
除了我们通常所知道的AR和VR除了这两个名词，行业内其实还有MR和XR的说法。MR是Mixed Reality的缩写，即混合现实，指合并现实和虚拟世界所产生的新的可视化环境。在新的可视化环境中，物理和数字对象共存并实时互动。
XR是Extended Reality的缩写，即扩展现实。实际上，XR是AR/VR/MR虚拟现实技术等各种形式的总称。它分为多个层次，包括从有限传感器输入的虚拟世界到完全沉浸式的虚拟世界。
2014年，Facebook对Oculus收购振兴了整个行业。2019年，Facebook推出的Oculus Quest让无数人眼前一亮，可谓现在VR一体机产品中的佼佼者。2020年9月，Facebook发布Oculus Quest2、宣布2021年全面停产Oculus Rift PCVR系列产品。
2015年，微软发布第一代HoloLens全息眼镜在单机身中融合CPU、GPU2019年推出了更强大的全息处理器HoloLens 2。
在2017年的WWDC上面，苹果推出了一个框架，专门为创建增强现实体验而开发ARKit，以及面向AI的CoreML。同年，Google和苹果一起推出ARKit功能相似的ARCore。
2019年9月，华为旗舰手机Mate 30 Pro在新闻发布会上推出了自己的VR眼镜产品受到业界的青睐。
可以预见，未来的虚拟现实产品将不再区分AR/VR/MR，它是一种集成产品。同时，虚拟现实的实时扫描、环境感知和渲染技术将有助于人工智能技术，特别是计算机视觉和深度学习。
虚拟现实技术自诞生以来，已应用于从军事到航空航天、从教育到娱乐游戏、从医疗到旅游等多个领域。目前，已集成5个G/AI等技术的AR/VR该设备有望取代智能手机的计算模块。
02 虚拟现实技术基础
虚拟现实是一种由三种技术组成的综合性技术，即三维显示技术D如图1所示-1所示。
▲图1-1 虚拟现实的三个技术基础
本节将简要介绍以上三种技术的相关知识。
1. 立体显示技术
立体显示技术以人眼立体视觉原理为基础。因此，设计立体显示系统是非常必要的，研究人眼的三维视觉机制，掌握三维视觉的规律。如果你想在虚拟世界中看到三维效果，你需要知道人眼三维视觉的原理，然后通过显示设备恢复三维效果。
1）HMD技术
HMD（头戴显示）技术的基本原理是让图像通过棱镜反射，进入人的眼睛在视网膜上成像，创造超短距离看超大屏幕的效果，分析度足够高。
戴着显示器通常有两个显示器，两个显示器由计算机驱动，向两只眼睛提供不同的图像，然后通过人脑整合两个图像以获得深度感知，从而产生三维图像。
主流沉浸式虚拟现实头戴设备包括Oculus Rift、Oculus Quest、HTC Vive、Sony Playstation VR、3Glasses、Pico VR等，多基于双显示技术。
那么，微软的黑科技产品HoloLens基于什么原则？
先来看看HoloLens，它相当于Google Glass升级版可以看作是Google Glass和Kinect合身产品。它内置了一个独立的计算单元，通过处理从摄像头捕获的各种信息，借助自己创建的信息HPU（芯片全息处理），虚拟物体图像是通过层叠的彩色镜头创建的，然后借助类似的镜头Kinect体感技术允许用户从一定的角度与虚拟物体互动。
依靠HPU层叠彩色镜片，HoloLens能让用户感觉到这些全息图像直接投射到现实场景中的物体上。当用户移动时，HoloLens广泛应用于机器人和无人驾驶汽车领域SLAM（同步定位和构图）获取环境信息，计算玩家的位置，确保虚拟画面的稳定性。
2)全息投影技术
可分为全息投影技术全息投影和反射全息投影两者是全息摄影技术的反向显示。与传统的三维显示技术不同，全息投影技术可以在空气或特殊介质（如玻璃和全息膜）上投射光D图像。人们可以从任何角度观看图像，获得与现实世界完全相同的视觉效果。
目前，我们看到的各类表演中所使用的全息投影技术都需要用到全息膜或玻璃等特殊的介质，需要提前在舞台上做各种精密的光学布置。这类表演的效果绚丽无比，但成本高昂、操作复杂，需要操作人员进行专业训练。
3)光场成像技术
神秘的Magic Leap采用所谓的光场成像技术。从某种意义上说，该技术可以被视为准全息投影技术。其原理是利用螺旋振动的光纤形成图像，并将光线直接从光纤弹射到人的视网膜上。
简单地说，整个光纤直接投射到视网膜上数字光场（Digital Lightfield），产生所谓的电影级现实（Cinematic Reality）。
2. 3D建模技术
为了创造完美的虚拟现实体验，我们需要从零开始构建虚拟世界，或者将现实生活中的场景转化为虚拟世界的一部分。那么，如何构建这个虚拟世界呢？
目前来说，3D建模主要通过3D软件、3D实现扫描和光场捕捉。
1）3D软件建模
简单来说，3D软件建模是通过各种三维设计软件在虚拟三维空间中构建具有三维数据的模型。这个模型又被称作3D模型，可通过3D渲染技术呈现二维平面图像，或通过计算机模拟，或通过3D建造印刷设备。
除游戏外，3D软件建模也广泛应用于影视、动画、建筑和工业产品的设计中。目前，最常用的3是游戏、影视和动画D设计软件包括3Ds Max、Maya、zBrush、Cinema4D、Blender、Softimage在建筑和工业中在产品设计中，最常用的是AutoCAD、Rhino等。
单纯使用3D软件建模的问题是，一方面，它高度依赖于建模人技能，另一方面，现实世界中的许多场景、物体和人物无法准确恢复，很容易进入恐怖谷的瓶颈。
2）3D扫描建模
在构建虚拟现实世界时，除了使用传统的3D除了建模技术和实景拍摄技术，我们还可以使用3D扫描技术快速建模真实环境、人物和物体，将物体的三维信息转化为计算机可以直接处理的数字模型。
3D3.使用扫描仪D在现实世界中，扫描技术实世界中的物体或环境。D扫描仪有很多种，通常可以分为两类:接触式3D扫描仪和非接触式3D扫描仪。
3)光场捕捉建模
光场捕捉建模技术的最早应用Ren Ng创办的Lytro，它通过将微透镜阵列放置在单个传感器前，从多个角度收集图像，但这种方案会大大降低分辨率。
近年来，还有另一个计划被接受Facebook Reality Labs、微软MR工作室、上海叠境、深圳普罗米修斯、微美全息等公司采用，即利用数百个相机阵列和深度相机组成内环捕捉系统，通过高速处理全面拍摄对象AI实时合成对象的三维模型是算法和动态集成系统。
需要注意的是，使用3D通过扫描和光场捕捉建模技术获得的3D模型和动作动画仍然需要使用主流的3D后期处理设计软件。使用3D扫描或光场捕捉技术可以大大提高3D建模效率，减少前期工作量，达到更真实的效果。
3. 自然交互技术
随着VR/AR随着时代的到来，传统的互动方式远远不能满足人们的需求。因此，模仿人类本能的自然互动技术已成为虚拟现实技术的重要基础。虚拟现实需要什么自然互动技术才能实现完美的沉浸感？
1）动捕
为了实现场景和人物在虚拟现实世界中的自然互动，我们需要捕捉人体的基本动作，包括手势、表情和身体运动。
实现手势识别、表情、动捕的主流技术分为两类，一类是光学动捕，一类是非光学动捕。光学动捕技术包括主动光学动捕和被动光学动捕，而非光学动捕技术包括惯性动捕、机械动捕、电磁动捕和超声波动捕。
2）眼动追踪
眼部跟踪的原理实际上非常简单，即使用相机捕捉人眼或面部图像，然后使用算法来检测、定位和跟踪人眼，以估计用户的视线变化。目前，我们主要使用两种图像处理方法：光谱成像和红外光谱成像。前者需要捕捉虹膜和巩膜之间的轮廓，后者需要跟踪瞳孔的轮廓。
3）语音交互
在与现实世界互动时，除了眼神、表情和动作，还有语音互动。一个完整的语音交互系统包括两部分:语音识别和语义理解，但人们通常用语音识别这个词来概括。语音识别包括信号处理、模式识别、声学、听觉心理学、人工智能等。
4）触觉交互
触觉交互技术，又称所谓的力反馈技术，在游戏行业和虚拟训练中得到了相关的应用。具体来说，它会给用户施加一定的力和振动，让用户有更真实的沉浸感。触觉交互技术可以在虚拟世界中创建和控制虚拟物体，如远程控制机械或机器人，甚至模拟外科实习生。
5)嗅觉和其他感觉交互技术
在虚拟现实的研究中，对视觉和听觉交互的研究一直占据主流地位，对其他感觉交互技术的研究则相对被忽视。目前，已经有一些研究机构和创业团队在着手解决这些问题。
6）脑机接口
脑机接口（Brain Computer Interface，BCI）大脑直接与计算机互动，有时也被称为意识–机器交互，神经直接连接。脑接口是人或动物大脑与外部设备直接连接的通道，分为单向脑机接口与双向脑机接口。
- 单向脑机接口只允许单向信息通信，如只允许计算机接收大脑的命令，或只允许计算机向大脑发送信号（如重建图像）。
- 双向脑机接口允许大脑和外部计算机设备实现双向信息交换，如Neurosky(神念科技)Brainlink。它可以通过收集大脑产生的生物电信号esense算法获取用户的精神状态参数（注意力、放松）等，实现基于脑电波的人机交互，或通常被称为思想控制。
Neuralink该公司是侵入性技术的代表，其产品通过在大脑中植入微电极和芯片，收集人脑1500点产生的神经元信号。Neuralink公司使用了一种被称为“神经织网”的技术，该技术通过一种特制的“缝纫机”将只有头发丝1/10粗细的线植入大脑，这种线可以像人的神经一样高速传输各种数据。
植入式技术虽然难度较大，但信息的捕获和传递更加准确可靠，发展空间无限。根据马斯克的想法，脑接口设备的短期目标是治疗一些常见的脑部疾病，最终目标是整合人类和人工智能技术，实现人机交互。
关于作者:资深苹果平台开发者王寒，国内较早iOS与VR/AR应用开发者、腾讯课堂讲师、知乎专栏《灵猫学编程》作者、蛮牛游戏开发专栏作者。《Cocos2D《权威指南》《虚拟现实:引领未来人机交互革命》《Unity AR/VR开发:从新手到专家。
香港理工大学博士、东华大学信息学院副院长、副研究员张一红的主要研究方向是加强现实、图像处理和模式识别。
王少迪，魔珐科技负责人，虚拟数字探索者，中国首批虚拟现实爱好者，知乎专栏动作捕捉技术作者。曾任赛隆空间科技公司产品设计开发总监，主要面向市场主流设备（HTC VIVE、Oculus、Hololens等)开发教育相关应用。
本文摘编自《Unity AR/VR发展：实战高手训练营，经出版商授权发布。
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