虚拟现实是如何运作的？
您是否曾问过自己：“虚拟现实是如何运作的”？硬件和软件的正确组合如何瞬间将我们带入一个新世界？“虚拟现实”体验需要哪些组件才能真正让人身临其境？
近年来，世界“虚拟现实”已经发生了巨大的演变。此前，VR是一个在科幻小说中经常提及的新颖概念。随后，开发人员开始寻找有效的方法来打造独特的VR体验。
渐渐地，VR头显变得更加直观和复杂，新技术的出现为我们提供了独特的数字景观体验。目前，估计有1.71亿VR用户世界各地，头显的出货量持续增长。
那么虚拟现实是如何运作的以及为什么它是一项如此重要的技术发展呢？
虚拟现实如何运作？介绍
虚拟现实创建了一种综合机制，用沉浸式模拟取代了我们自然的“现实世界”环境。通过硬件和软件的结合，VR解决方案用计算机生成的替代方案取代了我们对现实世界的看法。
为了确保体验身临其境且逼真，虚拟现实系统利用红外LED和运动传感器、摄像头和显示器的组合，使头显能够收集相关信息并将其呈现给人眼。一些解决方案甚至使用配件来加深沉浸感，例如触觉反馈系统和空间音频。
真正的虚拟现实不仅仅是用新信息填充您的视野。创建一个可以有效交互的模拟环境。VR头显利用人工智能、传感器和算法，将新的“数字世界”与现实世界结合起来，欺骗你的大脑，让你相信你真的处于一个新的环境中。
那么虚拟现实为何有效呢？为何如此有效影响我们的看法？
简而言之，虚拟现实的工作原理是我们所看到的、听到的和与之互动的东西塑造了我们对世界的理解。VR头显经过编程可以捕捉我们对自然刺激的反应，并且我们的反应由基于人工智能的软件进行处理。
然后，这些信息被用来在空间映射环境中创建虚拟对象来欺骗人脑。
虚拟现实的演变
“虚拟现实如何运作？”的答案几年前情况可能有所不同。大多数人仍然将虚拟现实视为一个全新的概念，旨在增强与工作、娱乐和培训相关的体验。然而，虚拟现实已经存在了几十年。第一批头显的一些是最初生产于九十年代中期。
起初，这些头显提供了基本的“虚拟现实”体验，这主要是基于影响我们戴头显时看到的东西。现在，创新者已经通过低延迟软件和改进的硬件改变了虚拟现实体验。
今天的虚拟现实解决方案不仅包括头显、屏幕和运动控制器。它们还集成了实时传感器，可以跟踪用户的动作、眼睛和手势，从而在我们的行为与VR体验背后基于人工智能的软件之间建立更深入的联系。
现在VR可以对我们的行为做出快速反应，创造“新的体验水平”空间计算”，我们可以与计算机系统自然地交互。
虚拟现实的不同类型
随着扩展现实景观的发展，各种“VR体验”影响了答案：“虚拟现实如何运作？”
从广义上讲，所有形式的虚拟现实都试图结合传感器、人工智能和硬件（例如可穿戴头显）让用户沉浸在体验中。然而，虚拟现实有多种形式，各有其独特的细微差别。
非沉浸式VR如何运作？
当大多数人想到VR时，他们会想到“完全身临其境”的体验。然而，虚拟现实提供了不同程度的沉浸感。“非沉浸式VR”这个术语有点用词不当，因为所有形式的VR都提供一定程度的沉浸感。
然而，对于这些类型的VR，您只能在基本层面上与虚拟环境进行交互。没有先进的“空间计算”功能，例如传感器或手势控制。相反，您可以使用控制器与数字景观进行交互。
驾驶模拟器也许是最好的例子。通过非沉浸式VR驾驶模拟器，您可以坐在方向盘后面并与踏板互动，就像在真正的汽车中一样。有些模拟器甚至使用触觉反馈来让您有身处车辆中的感觉。然而，这种类型的VR通常没有头显。
虚拟现实如何在半沉浸式VR中发挥作用？
有时描述为“混合现实从根本上说，半沉浸式VR将数字组件放置在真实物体或环境上。通常，这种形式的VR在教育和娱乐环境中很常见。
例如，机组人员和飞行工程师可以使用半沉浸式平视显示器(HUD)来查看覆盖在挡风玻璃和其他设备上的数字内容。这种类型的沉浸式现实被称为半沉浸式，因为它不会产生不同现实的幻觉。相反，它只是增强您的自然环境，类似于增强或混合现实体验。
完全沉浸式虚拟现实如何运作？
大多数人在想象VR时都会想到“完全沉浸式体验”。类似的工具Meta Quest 2和Quest 3它们是全浸入式玻璃的示例。它们提供让用户沉浸其中的360度模拟体验。
借助完全沉浸式VR，您周围的世界会消失，取而代之的是声音、图像，甚至与计算机或显示屏上的图像一致的物理感觉。头显使用人工智能和传感器技术来响应您的动作并在虚拟世界中移动。
在某些情况下，完全沉浸式VR解决方案可以与触觉配件结合使用，让您的大脑相信您正在触摸数字空间中的物体并与之交互。
虚拟现实如何运作？VR的组成部分
各种形式的虚拟现实体验通常基于各种类型的硬件和软件的组合。正如已经说过的，这些组件越来越先进和复杂。包括：
VR头显
VR头显是许多VR体验中最重要的组件之一。它们是便携式头戴式设备包围用户的眼睛。它们不仅会阻止您看到外面的世界，还会显示与VR模拟相关的特定信息。
基本上，它们用计算机生成的替代方案取代了您的自然视野。VR头显包括屏幕、摄像头、运动传感器和红外LED。它们从人类感官收集信息并进行调整以提供身临其境的体验。
头显也有多种形式，从连接到电脑的有线设备到像Meta Quest这样的独立头显。
镜头和屏幕
在VR头显中，立体镜头放置在屏幕（通常是LED）和您的眼睛之间，以扭曲图像并使其呈现三维效果。头显通过镜片传递两个图像（每只眼睛一个）。
头显上的红外摄像头会根据用户的需要调整光线，而跟踪器则允许设备在我们移动头部进行导航时更改屏幕上的内容。有些头显甚至可以跟随眼球运动以获得注视点表示。
延迟和视野
延迟和视场(FOV)是VR头显的组成部分，可将虚拟信息与现实世界保持一致。一般人以头部周围200至220度的弧度看待周围的世界。我们的左眼和右眼的视觉以一定角度重叠，使我们能够看到三维空间。
VR头显如何生成适合用户自然视野的3D环境，让我们相信我们身处一个不同的世界。体验的真实感很大程度上取决于我们的动作如何影响我们所看到的变化。
需要最小的延迟来确保当我们移动、转动头部或朝特定方向看时，我们所看到的内容会同时发生变化。
帧率
与延迟和视野一样，VR设备的帧速率决定了体验的沉浸程度以及我们因VR感到晕动病的可能性。虽然人眼每秒最多可以看到1,000帧，但大脑只能解释最高150 FPS的帧速率。
通常，电影院中电影的帧速率仅为24 FPS左右，但这些电影并不是为了模拟现实。VR开发人员认为任何低于60 FPS的帧都会导致恶心和头痛。
空间音频
近年来，空间音频在VR体验中变得越来越重要。声音及其起源影响我们对三维空间的感知。当今尖端的VR技术利用智能技术将声音定位在我们的头部周围。
这意味着，如果我们在虚拟现实中走过会议室，有人在舞台上“在我们身后”喊我们的名字，我们就会听到从我们身后传来的声音。
许多音频创新者多年来一直在使用这种类型的“3D”音频，包括YouTube、Spotify，甚至谷歌的VR音频系统。
跟踪头部、运动和位置
引人入胜、栩栩如生的声音和视觉效果对于创造身临其境的体验至关重要。但VR的真正魔力来自于这样一个事实：我们可以在适应我们的位置和动作的空间中移动和交互。
头部和位置跟踪技术结合使用传感器、陀螺仪和人工智能来影响我们在移动时看到的东西。基础头显最初使用三自由度(3DoF)系统，仅允许我们向左、向右、向上和向下看。
当今最先进的头显，例如Varjo Extended Reality-4，使用六个自由度来确保我们能够像在现实生活中一样以360度的方式观察周围。
虚拟现实控制器
尽管一些VR创新者正在试验传感器和跟踪器等空间计算技术，以最大限度地减少对控制器的需求，但许多头显仍然包含连接的控制器。
这些基本上是允许用户在虚拟环境中操作和执行操作的硬件组件。例如，考虑一下与Meta Quest 2或Quest 3一起使用的控制器。控制器允许我们直接向VR软件发送有关我们想要执行的操作的信息。
然而，随着公司不断开发更先进的身体和运动跟踪功能，“虚拟现实如何工作？”的答案已经浮出水面。它可能会改变。我们可能不需要控制器来导航明天的VR景观。
虚拟现实软件
虚拟现实软件本质上是VR解决方案的组成部分，它将延迟、位置跟踪、帧速率和位置跟踪等功能与3D环境相结合。与大多数软件一样，VR软件的用途非常广泛，可以适应各种需求。
一些开发商甚至提供“虚拟现实即服务”解决方案，使公司能够创建特定于行业的用户体验。这些技术可以创建协作环境，例如沉浸式Microsoft Teams空间、培训模拟等。
大多数VR程序都包含生成3D虚拟世界和头像所需的所有数据和代码。它们还确保信息可以通过头显有效传输。市场上一些最新的VR软件还可以与现有工具集成，例如协作平台、通信系统和内容管理系统。
虚拟现实如何运作？用例
如果您想知道虚拟现实是如何工作的，您可能也想知道它的用途。过去，VR头显和体验通常被认为是娱乐行业的工具。虽然虚拟现实在游戏和其他娱乐领域仍然很常见，但用例正在不断发展。
例如，招聘中的虚拟现实允许雇主找到与新团队成员互动和入职的独特方式。在施工和开发过程中，VR环境可以帮助团队共同开发3D计划或使用数字孪生。VR可以帮助团队在沉浸式环境中进行协作，复制面对面交互的感觉。
此外，VR甚至在客户服务领域也有应用，帮助企业向客户展示产品、创建沉浸式演示，甚至解决问题。其他用例是
●沉浸式培训和教育体验
●产品设计与开发
●旅游和旅行
●健康和远程医疗
●虚拟现实也是有助于推动经济增长的主要技术之一
创造“元通用”体验其多种形式。如果使用得当，VR可以给用户带来很多好处，从加强协作到改善人际关系。
虚拟现实的挑战
“虚拟现实如何运作？”的答案多年来，情况发生了一些变化，因为开发人员和创新者在创建沉浸式体验时遇到了各种挑战。这些挑战继续推动着当今VR领域的变革。
例如，Varjo、HTC VIVE和微软等领先企业不断致力于解决“VR晕动病”以及我们长时间接触VR时感到的不适问题。同时引入环境元宇宙VR的日益普及揭示了从道德到网络安全等各个方面的潜在问题。
此外，尽管头显变得越来越便宜，但创建VR工具和软件仍然昂贵且耗时。创建直观的VR环境需要大量投资，并且由于高端计算要求，可能会影响环境。所有这些问题都需要解决，以创建一个每个人都可以发现虚拟现实好处的世界。
虚拟现实的未来
对于那些对虚拟现实的潜力及其改变世界的能力感兴趣的人来说，好消息是VR解决方案正在不断发展。专家预测，到2030年，VR市场将以复合年增长率27.5%，随着创新者探索新的机遇。
未来几年，“虚拟现实如何运作？”的答案将会揭晓。随着我们发现制造硬件的新方法、空间计算的新机会，甚至更先进的人工智能算法，它将继续发展。
展望未来，我们将继续寻找更好的方法来应对VR体验的挑战，为每个用户创造更加身临其境的体验。
