揭秘虚拟仿真开发原理（上篇）
虚拟仿真开发硬件原理及现状
狭义上的”VR硬件”，特指具有沉浸感的头戴显示器。它有三个基本特征：
（1）全3D的立体显示：附合人眼观看现实物体的习惯，能够”以假乱真”
（2）完全虚拟的画面：需要屏蔽外界光线的干扰，你所看到的都不是现实的东西。有些人可能觉得”增强现实（AR）”更高大上一些，但是对于游戏，我认为还是更倾向于VR。玄幻，魔幻，科幻，一切皆为虚幻。
（3）不受限制的视角方向：视角方向跟随头部转动和移动，不同于之前的头戴式显示器，视野非常广。
当然，仅仅是这样的体验，并不能说是完美的”虚拟现实”，这也是很多人说硬件不成熟的理由。但是，在保证体验良好的的情况，目前的硬件已经满足做出高品质游戏的条件。下面对当前的硬件做一些技术分析：
VR显示的基本原理
首先，我们来看一下满足上面提到的三个基本条件的最廉价产品——Google的Cardboard：
插入手机做为显示屏幕，通过分屏的方式处理双眼的画面，达成立体画面显示；借助纸壳屏蔽外界光线干扰，通过透镜就可以观看到手机渲染的虚拟画面；依赖手机内置的陀螺仪，可以模拟出头部转向时视角的变化。另外，凸透镜在一定程度上增加了FOV（FieldOfView，视场角）。
Cardboad以低廉的价格，让很多人提前感受到了VR的魅力，并衍生出了很多塑料壳的版本。不过从体验上来说，Cardboard并不能算是一个合格的VR硬件，很多人在试玩过后，就自然而然地以为“VR就是那么回事”、“目前硬件还差得远”、“也就新鲜几分钟”等等，从一定程度上误导了很多人对VR的认知。
那Cardboard存在哪些问题呢?
（1）严重的画面延迟：手机陀螺仪模拟的转向精度和响应速度都不满足VR的要求，造成渲染的画面跟不上转头的速度，加重了晕动症；
（2）糟糕的画面表现：手机性能不足以支撑高画质高帧率的3D画面渲染，只能呈现出一些简单的卡通风格画面，达不到”以假乱真”的程度，影响了沉浸感；
（3）缺乏自然的交互：由于手机的限制，目前没有配套的头部和手部的定位方案，从交互上很难做到让人满意的程度，只能依赖蓝牙手柄这样的传统输入设备。
当然，还有一些其它的小问题，比如手机发热、起雾、过重、画面变形等等，这些虽然不是影响体验的主要因素，但在使用上也是挺烦人的。接下来我们看看Oculus针对这些问题是怎么解决的，或许这也能解释两者之间的价格差异为什么这么大。
不受限制的视野
如果需要达到逼真的视觉体验，视野必需尽量接近真实。这需要满足两个条件：一是接近人眼的FOV，二是跟随头部运动的视角。
上图左很直观地说明了人眼的FOV特点：双眼的覆盖范围是不同的，两只眼睛加起来可以超过180度。当然，在平面的液晶屏上很难做到这种效果，所以目前的主流VR硬件（不包括Cardboard）大多是用凸透镜做到了100~110度左右的FOV，虽然没有达到自然视野的程度，但相对于传统FPS游戏（FOV50~60度）来说，是个巨大的进步，直接影响到UI设计，交互，性能，场景设计，镜头等方面。为了解决近距离通过透镜观看画面的变形问题，我们需要对画面进行反向的变形校正：
然而，在很多Cardboard游戏上，正常双视口渲染的画面，经过BarrelDistortion变形这一步是省略掉了的。
FOV越大，光线的折射率也就越大，光线的散射现象也就越明显，给人的感觉就是画面边缘的像素出现了重影。
所以，变形后还需要对色散问题进行校正，即ChromaticAberration，这样通过透镜观看时才不会出现色彩分离的奇怪现象。
空间定位能力
头部的运动追踪，Oculus增加了一个外置的红外摄像头用于头显的空间定位，它同时也可以用于双手控制器（OculusTouch）的定位。
当然，这种定位方式也存在FOV的问题，只适合桌前的小范围运动。对于大范围的移动，HTCVive的Lighthouse技术更有优势，可以在5x5m的范围内自由移动：
空间定位技术的引入，直接改变了游戏的操作方式，从”指令式”操作逐渐变成类似”体感”操作的自然交互体验，UI也就不再拘泥于2D，开始向3DUI转变。
Motion-To-Photon
对于VR硬件来说，低延迟才是核心竞争力。但目前延迟缺少一个测试和评估标准，所以很难通过公开的数据评估每个设备的体验效果。如果以20ms为一个临界值，可以说其它品牌的VR设备大部分都不合格。
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