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顯示仍是VR技術瓶頸 內容與服務左右未來發展
仍需更高的解析度與更好的視野感

【作者: 籃貫銘】   2020年09月30日 星期三

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在所有沉浸式體驗技術中,虛擬實境(Virtual Realty;VR)是發展最早的一項,同時也是目前技術最成熟的一項。而VR之所以能夠有如此快速的發展,最主要的原因就是3D電腦遊戲的帶動,讓它可以快速的進入消費者市場,同時也帶起其他的沉浸式技術成長。


要構成一個基本的虛擬實境,至少需要有兩大系統,一個是向使用者雙眼提供虛擬內容的頭戴式顯示裝置(Head-mounted Display,HMD),另一個則是感測使用者肢體動作與位置的感測系統。而目前VR主要的技術發展都集中在HMD的開發上。


HMD的雙眼視覺系統

以功能來說,HMD系統最主要的設計挑戰,就在於要有能力提供優異的立體視覺體驗成像品質,而這並不是件容易的事。


HMD的成像模式,是屬於雙眼視覺的顯示方式,也就是英文的「Binocular」,一般日常生活裡最常見的雙眼成像產品就是望遠鏡。而HMD就是在類似的成像基礎上,進一步擴大、深化整體的視覺體驗,要達到這個目標,HMD內部的顯示器與光學鏡片就是關鍵。



圖一 : VR的圖像內容是由兩片獨立的顯示幕所提供,而這兩顯示器的成像品質也就幾乎決定了視覺體驗的優劣。(source:Applied Optics)
圖一 : VR的圖像內容是由兩片獨立的顯示幕所提供,而這兩顯示器的成像品質也就幾乎決定了視覺體驗的優劣。(source:Applied Optics)

從示意圖可以看出,VR的圖像內容是由兩片獨立的顯示幕所提供,而這兩顯示器的成像品質也就幾乎決定了視覺體驗的優劣,再加上是頭戴式的顯示,故與人眼之間的距離非常接近,因此必須要有足夠的解析度和反應速度,才能夠給使用者帶來足夠的沉浸式體驗。


螢幕解析度與更新速度

以Facebook最新推出的Oculus Quest 2為例,該產品的解析度就較前一代提升了50%,達到每眼1832x1920畫素的解析度,而且螢幕更新的頻率也提升至72Hz至90Hz,以進一步提升動畫的流暢感。


值得注意的是,Oculus Quest 2捨棄了VR業者愛用的AMOLED顯示面板(OLED有較鮮艷、明亮的色彩,和輕薄與低功耗的優勢),並轉向使用一種獨特的LCD顯示技術,稱為「快速反應RGB陣列顯示器(Fast-switching RGB-stripe)」。而透過使用這款LCD,Oculus Quest 2在解析度上又有所精進,同時也維持了優異更新速度。


像是HTC的Vive Pro就是採用3.5吋AMOLED的顯示面板,它的單眼解析度為1440 x 1600像素,更新速度則是90Hz。


視野與光學元件

除了解析度與更新速度之外,要達到良好的虛擬實境體驗,建構出符合真實人類「視野」與「視感」的畫面也是關鍵所在,而這就是光學元件發揮效用之處。VR的光學元件是作為把顯示器的畫面投射到人眼的關鍵元件,它主要的功能就是帶來清晰、比例正常且不變形的影像。



圖二 : 正確的把物體的相對位置呈現在適合的觀看位置,VR成像技術的一大挑戰。(source:Computer Science)
圖二 : 正確的把物體的相對位置呈現在適合的觀看位置,VR成像技術的一大挑戰。(source:Computer Science)

由於人眼是會轉動,且每個人的對焦視點又有所差異,因此要打造出一個完全無縫且體驗順暢的VR光學方案其實非常的困難。一般來說,目前大多數的產品都只會標示出它們的顯示視野角度,例如110度。確切的使用體驗還是要戴上才知道。


有良好的顯示和光學系統,當然還要有良好的VR內容來搭配。就目前的技術來說,設計出優異的VR內容並不是問題,因為在處理器與繪圖引擎技術的持續突破下,要順暢的運行解析度達8K的VR內容並不是夢想,而且可說是已經成真。


呈現360度環景的3D內容

VR內容真正的挑戰是在於全景的設計,雖然說拍攝360度全景的圖片和影像以不是問題,但如何與顯示和感測系統搭配,建構出真正的360度環景的視覺感受,就是一門大學問。再者,人類本質是3D的生物,是生活在立體的世界裡,而一般VR所搭載的顯示器終究是屬於平面的2D圖像,要轉成具備遠近和深度的立體3D圖像,VR影像內容的顯示方式就要另行設計。


目前主流的VR 3D成像技術是採用投射的方式,最常用的就是所謂的「等距柱狀投影法(Equirectangular Projection)」,它是以畫面某一點為中心,再建構出周邊物件之間的距離,等同是用座標來推論相關位置,進而快速的運算出3D的影像。然而這個方法存在有解析度不一致的缺點(以同一圖片進行不同遠近的縮放),因此在視覺體驗上也不盡完美。


然而Google在幾年前提出了一種稱為「等角方塊映射投影法(Equi-angular Cubemap,EAC)」的新技術,它透過先把球狀影片轉為正方體,之後再把正方體分成由6個正方體組成的平面,並於投影過程中,針對每個區段的角度畫面進行調教,因此大幅改善了像素密布不均勻的問題,直接提升了3D全景的視覺感受。


但就如同3D電影的拍攝一樣,最佳的VR影像內容都應該是採原生製造,也就是從一開始就使用3D全景的製作,才能帶來真正的沉浸式體驗。


感測動作與位置的控制介面

有擬真的影像外,如何與之互動也是沉浸式體驗的關鍵所在,而這就涉及了使用者的動作感測與定位問題。一般而言,基礎的VR裝置大概只需要感測使用者的頭部動作,也就是頭的轉向與視角的移動,再者就是手部的操作與輸入指令的控制。


在頭部的轉向與視角的感測上,不外乎就是搭載陀螺儀,或者稱作角速度感測器,來做為角度與轉向的感測。但為了完整且精確的感測頭部的轉動,因此VR的頭盔常會搭配其他的感測器,來達成更精密的偵測,包含加速度感測與電子羅盤等。



圖三 : 一個VR系統的關鍵組成。
圖三 : 一個VR系統的關鍵組成。

在使用者位置定位與感測手部動作部分,則需要另分成兩部分來進行。在使用者定位方面,則需要在虛擬實境空間內,設置感測的鏡頭,以擷取使用者的位置和動作。通常這個感測鏡頭都會使用雙鏡頭的設計,以取得相對立體的位置,更講究的虛擬實境空間則會使用多部感測鏡頭的設置,以更精確的偵測使用的行動。


而在手部動作的感測方面,為了提升互動性與更精準的指令輸入反應,通常VR的使用者都需要配戴或手持控制器,用來對虛擬實境裡的物件進行指令的輸入,例如「執行」和「取消」,或者更複雜的「拿取」和「扭轉」的動作。而配合感測鏡頭的設置,通常手部的控制器也會有用以感測動作的光訊號,進一步協助整體虛擬環境的感測精度。


娛樂為主 教育訓練為輔

至於VR的應用,娛樂功能仍會是其主要的發展領域,包含遊戲和電影等,這些應用本身就注重在沉浸於情節之中,因此會是VR發展的主要驅力。而在5G技術成熟之後,高解析的VR串流內容服務也會陸續進入市場中,其主要的應用就會是演唱會或者體育賽事的VR轉播,帶來有別於現今線上轉播的觀看體驗。


除了娛樂應用外,教育訓練導入VR技術也將會更加常見,尤其是特殊場域和機具的操演和操作,像是飛機與大型運輸工具的駕駛,消防和軍事的演練,這些設備與場景都具有高危險性,並不適合初學者直接進行實機和實場的訓練,因此使用VR的設備將有助於降低危險性,同時也有助於提升後續訓練的成熟度。


至於商業用的虛擬導覽和虛擬採購,就目前的發展來看,其實並不是這麼的樂觀,主要是這類應用的目標是資訊的傳遞,而非體驗本身,因此若能以簡易的方式就完成資訊的傳達,採用更複雜的VR系統就顯得不合理,因此發展將十分有限。


結語

動畫「刀劍神域」和電影「一級玩家」裡的情境,彷彿將是VR裝置的終極型態,一但戴上,就進入了第二人生,開啟了完全不一樣的生活面貌,在虛擬的世界裡自在優游,儘管你需要許多額外的設備和裝置,以及好像多出來的「肉體」。


但若回到使用與體驗的方便性來說,虛擬實境或許會朝向取消頭盔的方向前進,最終的完成式,應該要如同蜘蛛人電影裡所呈現的方式,就是完全以全息投影的方式出現,而且還能宛如真人出現般的互動,但要走到這一步,還有非常多項目要克服。在此之前,能夠在頭戴式系統裡充分實現沉浸式體驗就已是巨大的成功了。


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