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VR三维硬件原理及现状

狭义上的“VR三维硬件”，特指具有沉浸感的头戴显示器，它有三个基本特征：

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”；

完全虚拟的画面：需要屏蔽外界光线的干扰，用户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三维。玄幻、魔幻、科幻，一切皆为虚幻；

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三维显示的基本原理

首先，我们来分析一下满足上面提到的三个基本条件的Zui廉价产品——Google的Cardboard（如图2所示）：

图2 Google Cardboard

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插入手机作为显示屏幕，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（Field Of View，视场角）。

Cardboad以低廉的价格让很多人提前感受到了VR三维的魅力，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三维硬件，很多人在试玩过后，就自然而然地以为“VR三维就是那么回事儿”、“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三维的认知。

那么，Cardboard存在哪些问题呢？

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三维的要求，造成渲染的画面跟不上转头的速度，加重了晕动症；

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；

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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。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，视野必须尽量接近真实。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。

图3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°。

图3人眼FOV视角

当然，在平面的液晶屏上很难做到这种效果。所以目前主流的VR三维硬件（不包括Cardboard）大多是用凸透镜做到了100°-110°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（FOV为50°-60°）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（如图4所示）。

图4对画面进行反向变形校正

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图5、图6所示就是正常双视口渲染的画面，经过Barrel Distortion变形后的效果（在很多Cardboard游戏上，这一步是省略掉了的）。

图5正常双视口渲染画面

图6 Barrel Distortion变形后效果

但是，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（如图7所示）。

图7 FOV越大，光线的折射率也就越大

所以，变形后还需要对色散问题进行校正，即Chromatic Aberration。从图8中我们可以看出边缘像素的RGB三基色位置是错开的，这样通过透镜观看时才不会出现色彩分离的奇怪现象。

图8边缘像素的RGB三基色位置错开

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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（如图9所示）用于头显的空间定位，它同时也可以用于双手控制器（Oculus Touch，如图10所示）的定位。

图9 Oculus外置红外摄像头

图10 Oculus Touch控制器

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，HTC Vive的Lighthouse技术更有优势，可以在5x5m的范围内自由移动（如图11所示）。

图11 HTC Vive的Lighthouse技术支持5x5m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3D UI转变。

主流VR三维硬件参数

表1 2016年主流VR三维硬件的参数

表1可以大体上说明2016年主流VR三维硬件的参数（DK2和Gear VR三维是很多人都体验过的，作为对比也加进来）。

从表格中提供的数据，结合一些现场体验可以分析出一些关键信息：

三家VR三维设备的FPS和FOV差异并不大，这方面在体验上差距很小。PS VR三维的120FPS是60帧插值出来的，并不是实际的渲染帧数；

三家VR三维的控制器都趋于一致：双持手柄，有空间定位能力，可以模拟双手操作。这就为我们进行VR三维游戏的交互设计提供了很好的指引，引擎层面可以进行统一抽象，不用再为每个设备单独设计；

分辨率相对于DK2都有改善，但受限于OLED屏幕技术和硬件性能限制，还达不到视网膜屏的程度，像素点肉眼仍然可见，但已经不会影响游戏画面的观看；

PS VR三维由于受限于PS4的机能限制，无法在分辨率上占有优势，但是可以通过像素排列和镜片技术减少纱门效应（Screen Door Effect），即像素间空隙（Oculus DK2上非常明显）；

每家的硬件都会依赖一个内容发行平台，与主机游戏的运作思路很像，这也决定了VR三维游戏的设计思路。

另外值得关注的是Gear VR三维，算是Zui早商业化的平台硬件，提供了比Cardboard更好的体验，但同样受到机能的限制。预测手机VR三维方案几年后会推动VR三维设备的普及，毕竟手机是人人都有，买个配件的成本还是可以被很多人接受的。

Motion-To-Photon延迟

有一个参数是表中没有的，那就是延迟。我们先来给出定义：从用户开始运动到看见屏幕上产生相应变化所需的时间。

从图12可以看到，从传感器采集，经过线缆传输，

图12从输入设备到成像

游戏引擎处理，驱动硬件渲染画面，液晶像素颜色切换，到人眼看到对应的画面，中间经过的每一个步骤都会产生延迟。要想达到理想的状况，需要硬件和软件优化的紧密配合。目前公认的可以被多数人接受的VR三维延迟是20ms，很多VR三维硬件只是传感器和液晶屏的时间就已经超出范围了。

对于VR三维硬件来说，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，可以说其他品牌的VR三维设备大部分都不合格。

VR三维体验目前的主要问题

VR三维游戏在当前的硬件条件下，仍然存在一些问题。我们作为开发者，必须搞清楚每个问题产生的原因，能够解决的解决，不能解决的回避，在此基础上才能做出良好的体验。

晕动症

“晕”可能是第一次体验VR三维的多数人Zui直接的感受，就像晕车晕船般的感觉。很多人可能只是因为这个原因就会放弃对VR三维游戏的期待，掉入“VR三维

目前还不成熟”的圈子里。那为什么VR三维游戏这么容易晕？

你没动，画面动了：VR三维游戏体验者通常身体是静止不动的，如果游戏中看到的是各种加速/旋转/震动等，正常人都会受不了，跟晕车晕船的原理是一样的；

你动了，画面没跟上：这就是上文提到的延迟，很多时候，硬件符合要求了，但游戏却帧数不够，同样也会造成严重的延迟现象；

体质原因：比如有人患有恐高症，放到一个悬崖边的虚拟场景里，也会触发心理和身体的反应。

原因1可以从游戏设计上进行回避，但是目前来说很多需要跑步和跳跃的游戏受限比较大；

原因2的话，主流硬件在延迟上都是满足要求的，作为开发者更多的是需要做好性能优化；

原因3，从我们组的几个人感受来看，随着体验次数的增加，症状会越来越轻，这表明人的身体是可以适应的。而且，适当地增加一些让身体有所反应的游戏场景，也不失为一种乐趣。

缺乏好的交互方式

VR三维头戴显示器可以看作是一个显示输出设备，而对于游戏来说，还有另外一种重要的硬件——输入设备。在VR三维游戏中，鼠标键盘的操作方式首先

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就可以放弃了，因为看不到，只能盲操作。游戏手柄的话算是一种折中方式，但并不能发挥出VR三维的潜力。理想的输入设备其实是双手，这也是Zui自然的方式。

遗憾的是，不管是Kinect或Leap Motion，都无法完美地支持双手交互的精度。所以，目前主流的VR三维控制器还是以双持手柄为主，预计要到2016下半年才开始上市。在拿到Oculus Touch之前，我们尝试了基于Kinect体感的VR三维交互方式，虽然并不完美，但已经能够看出未来的交互设计雏形了（如图13所示）。

图13基于Kinect体感的VR三维交互方式尝试，图片来自我们的VR三维 Demo《3D HUD》

GPU性能不足

Barrel Distortion变形后带来一个问题：中心区域像素分辨率的损失，也就是说中心区域的像素被放大，而边缘区域的像素被压缩了。但是人眼对于视野中心的像素清晰度非常敏感，为了保证清晰度，需要把原始渲染分辨率提高，以保证变形后的画面能够达到液晶屏的像素密度，如图14所示。

以Oculus Rift为例，屏幕分辨率为2160x1200，渲染分辨率需要长宽各提高到140%，即3024x1680，再加上90FPS的帧率要求，每秒需要渲染的像素

达到了4.5亿个（如图15所示），相当于当代主机（Xbox One、PS4）游戏的7倍，与4k分辨率游戏所需要的硬件差不多。为了保证体验，他们规定了一个Zui低配置，叫作Oculus Ready的标准——CPU i5 4590、内存8G、显卡GTX970。

图14提高原始渲染分辨率

图15 Oculus Rift每秒需渲染的像素达到了4.5亿个

虽然PS4的渲染性能远远达不到GTX970的程度，但是相对于PC来说，它可以提供一致的体验，这对VR三维来说非常重要。毕竟就算你的游戏画面再好，如果一玩就晕得想吐，那也不会是一个好游戏。不过好在离VR三维普及还有一段时间，足够让Oculus Ready的PC成为大众配置了。

佩戴舒适度

很多近视玩家会担心不能使用，其实主流的显示设备都可以戴眼镜观看。至于戴着舒不舒服，那就需要在工业设计上进行迭代优化。就目前

来看，Sony家的头显Zui舒服，Oculus家的手柄Zui舒服，HTC家的功能Zui强。除了平台独占的VR三维游戏，多数会同时兼容三家的设备，所以从体验上来说，差别不会太大。

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VR三维游戏与传统3D游戏的开发差异

VR三维游戏在开发制作上的差异，远远没有很多人想象的那么大，更多的是设计上的思路转变。所以，想要开发VR三维游戏，前提是能够开发一个3D游戏，核心还是游戏本身，VR三维只是体验上的增强。如果要写一个“VR三维游戏开发教程”，那么其中90%的东西，与VR三维并没有直接关系。但是，这10%的差异，却是VR三维的核心竞争力，因为它可以带给你“前所未有”的体验，为我们进行游戏玩法创新提供了非常大的发挥空间。

玩法

与主机游戏类似，注重核心体验，即Camera、Control、Character。可能很多人会觉得VR三维游戏只适合做FPS，其实并不是这样。只要保证沉浸感良好，什么类型的都可以做，RTS、MOBA、AVG、

MMOG等等都可以。需要关注的核心点是Camera和Control，这直接关系到玩起来晕不晕，能够玩多长时间。只有保证操作体验和沉浸感过关，游戏的玩法才有意义。

当然，VR三维也给我们提供了一些新的特性，可以用于玩法设计中：

由于头部运动追踪的存在，点头和摇头的操作是可以被识别的，这就意味着很多Yes/No的操作可以直接通过头显输入；

头部的朝向可以灵活变化，当你“盯”着某个物体看时，可以针对这个行为做出相应指令，具体可以参考Gear VR三维上的Land’s End；

由于360°视角方向不受限制，我们可以在背后做一些场景改变，让每次转头看到的场景都不一样，既能做成惊喜，也能做成惊吓；

头部不仅仅能转动，还可配合身体小范围移动，比如“Summer Lesson”中凑近NPC，NPC会害羞，Vive的一个上帝视角Demo可以蹲下看到地底下打地道的小兵等；

VR三维渲染可以调整World Scale，即世界单位缩放，相当于动态调整自身相对于场景的比例，既可以做成巨人的视角，也能做成蚁人的视角；

因为VR三维世界中的单位可以与现实不一样，那么一些类似“缩地术”的功能也变成现实，通过身体小范围的移动，达到虚拟世界中的大范围移动效果；

双手控制器的存在可以模拟一些抓、扔、摸、打等操作，捡起一个道具上下左右仔细看也是很有意思的一件事，可以把迷题设计在道具的隐藏角落里；

VR三维中有了双手的存在，很多解迷机关就不再是简单的按一个键，各种零件组合、机械、绘画等对于双手控制器来说都是很棒的操作体验；

控制器的握持感，非常接近于游戏中的手持武器，比如枪械、刀剑，这比握着一个鼠标或手柄的感觉强多了。得益于高精度的传感器，做出具有竞技性的操作玩法也不是不可能；

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双手具有天然的空间感，一些建造类的玩法也非常适合，比如Minecraft、Besiege等，UE4甚至尝试了在VR三维中进行场景编辑；

由于3D音效的加强（下面会提到），“听音辨位”就可以做得更真实，各种潜入类玩法非常适合；

另外，由于沉浸感的增强，恐怖游戏和XX游戏带给人的感官刺激会放大，这就不用展开了，试过就知道。

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