论文部分内容阅读
摘要：虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术作为一门新兴的综合性技术，其应用性受到广泛的关注。随着消费级的VR头戴式显示器产品及相关产业活跃发展，标志着VR技术的运用将不仅局限于前沿科技研究领域，更广泛地适用于大众生活、娱乐的时代即将到来。与此同时，开发基于头戴式显示器的VR项目亦面临很多技术难题，其中摄像机的运动模式是尤其关键的一个环节，本文结合VR技术的发展、特征，通过对基于头戴式显示器VR案例的分析，总结出四类适宜的VR摄像机运动模式，为VR用户体验相关研究提供一些思路。
关键词：VR 头戴式显示器 摄像机 运动模式
中图分类号： G647.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（a）-0000-00
一、研究背景
虚拟现实技术是二十世纪中后期提出，二十世纪末期逐渐兴起的一门综合性技术，作为仿真技术的重要方向，VR技术结合了计算机图形学、传感技术、多媒体技术、人机交互技术、人工智能等前沿学科和研究领域，是一门极具潜力和活力并充满挑战的研究领域。虚拟现实旨在利用计算机、显示设备、传感交互设备等平台模拟包括环境、感知、自然行为等，以突破用户和系统之间的界限，打破传统表现形式的局限，使用户沉浸到逼真的虚拟环境中，这个虚拟环境不仅可以将人无限的想象力实现，并且可以让用户以自然行为与虚拟环境进行交流互动。[1]
VR技术具有三大基本特征：浸入性，即用户通过显示设备及传感交互设备在虚拟环境中体验到的真实感；交互性，即用户与虚拟环境的行为输出，并得到实时、多感官的反馈体验；构想性，即用户在虚拟环境中将抽象概念具象可视化的过程体验。[2]基于这些特征，VR技术自诞生起就备受瞩目，并且已经已经在航天航空仿真训练、军事模拟、科学计算可视化等领域得到了极有价值的应用，许多国家甚至将VR技术的研究建设提升至战略地位。随着计算机技术、传感技术等相关领域的发展，特别是VR硬件设备的快速发展升级，为VR技术的应用提供了更好的操作性和更广泛的运用领域。
二、VR硬件设备概述
VR硬件设备大致可以分为四类：建模设备，例如3D扫描儀、3D打印机等；视觉显示设备，例如3D投影系统、头戴式立体显示器等；交互设备，例如位置追踪系统、力反馈设备等。其中，因为所蕴含的巨大商业潜力，头戴式显示器（Head Mount Display）受到了各厂商和用户越来越多的关注，三大头戴式显示器开发厂商Oculus、HTC、索尼都相继推出了消费级的VR头戴式显示器产品和相应的VR平台。
目前的三大主流VR头戴式显示器产品Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR均是桌面级的产品，硬件设计上比较相似，主要由头戴显示器、操作柄、动作捕捉系统但部分组成。头戴显示器相当于VR环境中的一部摄像机，用户通过镜头感觉身处360°真实的虚拟环境中。三款产品都集成了头部运动追踪、位置追踪系统，其中Oculus Rift和索尼PlayStation VR使用单个动作感应摄像头来识别用户运动，需要将摄像头放置在用户正前方；而HTC Vive则另辟蹊径，头戴上集成多达37个LED传感器，能够与安装在房间中的两个传感器构成一个4.5米见方的动作捕捉空间，在这个空间内用户可以自由活动。
三、VR头戴式显示器在游戏、影视领域的应用
随着消费级VR头戴式显示器产品的活跃发展，标志着VR技术的运用将不仅局限于前沿科技研究领域，而广泛地适用于大众生活、娱乐的时代即将到来。相应的，VR技术在游戏、影视领域掀起了不小的浪潮。
就游戏本身的发展而言，随着技术的发展，从最早的文字MUD游戏到2D游戏，再到3D游戏，游戏的拟真程度和代入感越来越强，其目的正是在于将想象的环境具象化、拟真化，然后让用户置身其中，交互体验。VR技术的特征与游戏开发的诉求不谋而合，VR技术的出现，让游戏开发者们看到了更高层次的平台，可以让用户打破硬件、界面的束缚，更加直接地沉浸到虚拟的游戏世界中去。
所以，作为最适合用户体验的VR硬件设备，VR头戴式显示器平台成为了VR游戏的最佳选择，目前，基于三大主流头戴式显示器产品Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR平台的游戏产品已有百余部，越来越多的游戏开发者将目光投向了VR平台。
相对游戏而言，因为当前VR硬件和技术上的局限性，VR技术与影视的结合还处于探索阶段，艺术家们已经开始积极地尝试，相继有《Help》（2014）、《Lost》（2015）及《Henry》（2016）等VR影视作品问世。很显然的，VR的浸入式观影体验将为影视艺术赋予更为丰富的表现力和更加深层的感染力；VR的交互特征可以为影视艺术创造全新的属性，让观众与作品对话，使观众进入作品，去操纵、观察，甚至再创造。VR技术与影视艺术的结合是必然的趋势。
当然，不论是游戏还是影视，要迎来真正的VR时代还要面临许多挑战，攻克许多难题，其中，摄影机的运动模式是一个很关键的环节。
四、VR头戴式显示器摄像机运动模式探索
尽管游戏开发和影视制作的流程和环节大相径庭，但开发者或制作者在面对基于头戴式显示器的VR项目时，都要面对同一个问题，那就是如何应对和解决用户在虚拟现实环境中的晕动症（VR Sickness，简称VR晕动症）问题。
造成VR晕动症的因素较为综合，例如声音与画面的同步性、画面帧率不足等，但最主要的诱因是VR摄影机移动时造成的相对运动错觉（Vection Illusion）： 当观察者视域内一大片的区域运动时，观察者会认为自己在运动，而周围的世界是静止固定的。[3]举个例子，当观察者身处一节停靠在火车站火车车厢里，这时一列火车从旁边经过，观察者会产生错觉，认为自己所处的这列火车在向相反的方向运动。与传统的显示器镜头不同，用户在使用VR头戴式显示器时，会感觉自己亲身处于眼前的虚拟环境中，用双眼在观察眼前的虚拟世界，而不是通过一台显示器来观察。但是由于目前VR设备的局限性，用户本身并不能大范围活动，即使HTC Vive也只能在很小的区域内移动，而不论游戏或影视，在VR环境中难免涉及镜头的移动及切换，这个环节很若不妥善处理，很容易让用户产生相对运动错觉，进而引发VR晕动症，让用户体验大打折扣，。 可以说，解决晕动症是VR开发者们需要解决的首要问题，这直接关乎一个作品的生命力。通过分析一些体验感良好的VR案例，可以总结出一些适宜的运动模式：
（1）尽可能使用静态的摄像机，或保证镜头的旋转及移动与用户的运动一致。这样用户的视觉和自身的运动相吻合，则不会产生相对运动错觉，也就从本质上避免了VR晕动症。这种运动模式在VR游戏《实验室》（The Lab）、《VR僵尸游戏》（VR zGame）中有广泛的应用，VR电影《Henry》中也使用了大量的静态摄像机。这种模式通常不允许摄像机移动，只通过头盔的运动捕捉系统来捕捉用户头部的转动，以控制摄像机的旋转，因此给客户的体验就是自己始终站立在原地而观察周围的虚拟环境。这种摄像机运动模式可以很好地避免VR晕动症，但其缺陷在于完全舍弃了摄像机的移动，机位缺乏变化，镜头语言枯燥。
（2）设置相对于摄像机的静态参照物。当无法避免摄像机运动时，为了避免相对运动错觉，可以设置相对于摄像机静止的参照物。例如Oculus Rift平台的实例游戏《迷宫》（Maze），用户的视角俯视一个巨型的迷宫，通过控制柄可以旋转迷宫面板，在旋转的过程中若没有相对于摄像机静止的参照物，用户很容易产生相对运动错觉，认为旋转的不是迷宫面板而是自己，进而引发VR晕动症，所以开发者巧妙地在迷宫面板中央添加了相对于摄像机静止的UI界面，在UI界面的参照下，用户很容易分辨迷宫面板的旋转运动。类似的例子还有飞行模拟、赛车竞速等，设置相对摄像机静止的机舱、驾驶室作为参照物，用户就能很好地区分运动主体和建立速度感。
（3）设置与速度匹配的诱导物。在摄像机运动时，尽量保持恒定的速度和方向，避免移动速度和方向的变化可以使用户适应摄像机的运动。但这种摄像机移动模式和静止摄像机一样单调乏味，不适合长时间使用，特别是在影视方面，需要丰富的摄影机运动来保证生动的镜头语言。为了减轻摄像机运动变化带来的VR晕动症，可以设置与速度相匹配的诱导物。例如育碧开发的飞行射击类VR游戏《化鹰》（Eagle Flight）中，镜头中始终保持有与飞行速度匹配的粒子特效，给用户提供了适应速度变化的诱导物，以降低用户产生VR晕动症的可能性。
（4）淡入淡出切镜头以及眨眼切镜頭。传统影视中的淡入淡出切镜头方法依然很适用于VR，模拟眨眼效果切镜头的方法则与VR摄像机给用户带来的第一人称临场感完美搭配。由酷咔数字开发的VR游戏《雇佣兵》（Mercenary）大量运用了这两种切镜头的模式，创造了十分良好的第一人称射击类（FPS）VR游戏的用户体验。
五、结语
摄像机运动模式是VR项目开发中重要的一环，摄像机移动模式是否适宜往往就决定了一部VR作品品质的优劣。然而摄像机运动模式仅仅是VR技术研究领域的一个环节，它与VR显示技术、VR传感技术、VR反馈技术等方面相互交叉、 作用，VR技术的日益成熟，将提供更优化的摄像机运动模式，创造更佳的用户体验。因此，需要时刻关注相关领域的最新发展动向和研究成果，跟进VR技术发展趋势，充分应用和发挥VR的魅力。
参考文献：
[1]胡西伟.基于三维动画与虚拟现实技术的理论研究[D].武汉大学，2005
[2]肖梦雪. 虚拟现实技术与3D立体电影[J]. 广播电视，2012，6：35-37.
[3] Wikipedia. Illusions of self-motion.[EB/OL]. https：//en.wikipedia.org/wiki/Illusions_of_self-motion#Vection，2016-10-30.
关键词：VR 头戴式显示器 摄像机 运动模式
中图分类号： G647.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（a）-0000-00
一、研究背景
虚拟现实技术是二十世纪中后期提出，二十世纪末期逐渐兴起的一门综合性技术，作为仿真技术的重要方向，VR技术结合了计算机图形学、传感技术、多媒体技术、人机交互技术、人工智能等前沿学科和研究领域，是一门极具潜力和活力并充满挑战的研究领域。虚拟现实旨在利用计算机、显示设备、传感交互设备等平台模拟包括环境、感知、自然行为等，以突破用户和系统之间的界限，打破传统表现形式的局限，使用户沉浸到逼真的虚拟环境中，这个虚拟环境不仅可以将人无限的想象力实现，并且可以让用户以自然行为与虚拟环境进行交流互动。[1]
VR技术具有三大基本特征：浸入性，即用户通过显示设备及传感交互设备在虚拟环境中体验到的真实感；交互性，即用户与虚拟环境的行为输出，并得到实时、多感官的反馈体验；构想性，即用户在虚拟环境中将抽象概念具象可视化的过程体验。[2]基于这些特征，VR技术自诞生起就备受瞩目，并且已经已经在航天航空仿真训练、军事模拟、科学计算可视化等领域得到了极有价值的应用，许多国家甚至将VR技术的研究建设提升至战略地位。随着计算机技术、传感技术等相关领域的发展，特别是VR硬件设备的快速发展升级，为VR技术的应用提供了更好的操作性和更广泛的运用领域。
二、VR硬件设备概述
VR硬件设备大致可以分为四类：建模设备，例如3D扫描儀、3D打印机等；视觉显示设备，例如3D投影系统、头戴式立体显示器等；交互设备，例如位置追踪系统、力反馈设备等。其中，因为所蕴含的巨大商业潜力，头戴式显示器（Head Mount Display）受到了各厂商和用户越来越多的关注，三大头戴式显示器开发厂商Oculus、HTC、索尼都相继推出了消费级的VR头戴式显示器产品和相应的VR平台。
目前的三大主流VR头戴式显示器产品Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR均是桌面级的产品，硬件设计上比较相似，主要由头戴显示器、操作柄、动作捕捉系统但部分组成。头戴显示器相当于VR环境中的一部摄像机，用户通过镜头感觉身处360°真实的虚拟环境中。三款产品都集成了头部运动追踪、位置追踪系统，其中Oculus Rift和索尼PlayStation VR使用单个动作感应摄像头来识别用户运动，需要将摄像头放置在用户正前方；而HTC Vive则另辟蹊径，头戴上集成多达37个LED传感器，能够与安装在房间中的两个传感器构成一个4.5米见方的动作捕捉空间，在这个空间内用户可以自由活动。
三、VR头戴式显示器在游戏、影视领域的应用
随着消费级VR头戴式显示器产品的活跃发展，标志着VR技术的运用将不仅局限于前沿科技研究领域，而广泛地适用于大众生活、娱乐的时代即将到来。相应的，VR技术在游戏、影视领域掀起了不小的浪潮。
就游戏本身的发展而言，随着技术的发展，从最早的文字MUD游戏到2D游戏，再到3D游戏，游戏的拟真程度和代入感越来越强，其目的正是在于将想象的环境具象化、拟真化，然后让用户置身其中，交互体验。VR技术的特征与游戏开发的诉求不谋而合，VR技术的出现，让游戏开发者们看到了更高层次的平台，可以让用户打破硬件、界面的束缚，更加直接地沉浸到虚拟的游戏世界中去。
所以，作为最适合用户体验的VR硬件设备，VR头戴式显示器平台成为了VR游戏的最佳选择，目前，基于三大主流头戴式显示器产品Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR平台的游戏产品已有百余部，越来越多的游戏开发者将目光投向了VR平台。
相对游戏而言，因为当前VR硬件和技术上的局限性，VR技术与影视的结合还处于探索阶段，艺术家们已经开始积极地尝试，相继有《Help》（2014）、《Lost》（2015）及《Henry》（2016）等VR影视作品问世。很显然的，VR的浸入式观影体验将为影视艺术赋予更为丰富的表现力和更加深层的感染力；VR的交互特征可以为影视艺术创造全新的属性，让观众与作品对话，使观众进入作品，去操纵、观察，甚至再创造。VR技术与影视艺术的结合是必然的趋势。
当然，不论是游戏还是影视，要迎来真正的VR时代还要面临许多挑战，攻克许多难题，其中，摄影机的运动模式是一个很关键的环节。
四、VR头戴式显示器摄像机运动模式探索
尽管游戏开发和影视制作的流程和环节大相径庭，但开发者或制作者在面对基于头戴式显示器的VR项目时，都要面对同一个问题，那就是如何应对和解决用户在虚拟现实环境中的晕动症（VR Sickness，简称VR晕动症）问题。
造成VR晕动症的因素较为综合，例如声音与画面的同步性、画面帧率不足等，但最主要的诱因是VR摄影机移动时造成的相对运动错觉（Vection Illusion）： 当观察者视域内一大片的区域运动时，观察者会认为自己在运动，而周围的世界是静止固定的。[3]举个例子，当观察者身处一节停靠在火车站火车车厢里，这时一列火车从旁边经过，观察者会产生错觉，认为自己所处的这列火车在向相反的方向运动。与传统的显示器镜头不同，用户在使用VR头戴式显示器时，会感觉自己亲身处于眼前的虚拟环境中，用双眼在观察眼前的虚拟世界，而不是通过一台显示器来观察。但是由于目前VR设备的局限性，用户本身并不能大范围活动，即使HTC Vive也只能在很小的区域内移动，而不论游戏或影视，在VR环境中难免涉及镜头的移动及切换，这个环节很若不妥善处理，很容易让用户产生相对运动错觉，进而引发VR晕动症，让用户体验大打折扣，。 可以说，解决晕动症是VR开发者们需要解决的首要问题，这直接关乎一个作品的生命力。通过分析一些体验感良好的VR案例，可以总结出一些适宜的运动模式：
（1）尽可能使用静态的摄像机，或保证镜头的旋转及移动与用户的运动一致。这样用户的视觉和自身的运动相吻合，则不会产生相对运动错觉，也就从本质上避免了VR晕动症。这种运动模式在VR游戏《实验室》（The Lab）、《VR僵尸游戏》（VR zGame）中有广泛的应用，VR电影《Henry》中也使用了大量的静态摄像机。这种模式通常不允许摄像机移动，只通过头盔的运动捕捉系统来捕捉用户头部的转动，以控制摄像机的旋转，因此给客户的体验就是自己始终站立在原地而观察周围的虚拟环境。这种摄像机运动模式可以很好地避免VR晕动症，但其缺陷在于完全舍弃了摄像机的移动，机位缺乏变化，镜头语言枯燥。
（2）设置相对于摄像机的静态参照物。当无法避免摄像机运动时，为了避免相对运动错觉，可以设置相对于摄像机静止的参照物。例如Oculus Rift平台的实例游戏《迷宫》（Maze），用户的视角俯视一个巨型的迷宫，通过控制柄可以旋转迷宫面板，在旋转的过程中若没有相对于摄像机静止的参照物，用户很容易产生相对运动错觉，认为旋转的不是迷宫面板而是自己，进而引发VR晕动症，所以开发者巧妙地在迷宫面板中央添加了相对于摄像机静止的UI界面，在UI界面的参照下，用户很容易分辨迷宫面板的旋转运动。类似的例子还有飞行模拟、赛车竞速等，设置相对摄像机静止的机舱、驾驶室作为参照物，用户就能很好地区分运动主体和建立速度感。
（3）设置与速度匹配的诱导物。在摄像机运动时，尽量保持恒定的速度和方向，避免移动速度和方向的变化可以使用户适应摄像机的运动。但这种摄像机移动模式和静止摄像机一样单调乏味，不适合长时间使用，特别是在影视方面，需要丰富的摄影机运动来保证生动的镜头语言。为了减轻摄像机运动变化带来的VR晕动症，可以设置与速度相匹配的诱导物。例如育碧开发的飞行射击类VR游戏《化鹰》（Eagle Flight）中，镜头中始终保持有与飞行速度匹配的粒子特效，给用户提供了适应速度变化的诱导物，以降低用户产生VR晕动症的可能性。
（4）淡入淡出切镜头以及眨眼切镜頭。传统影视中的淡入淡出切镜头方法依然很适用于VR，模拟眨眼效果切镜头的方法则与VR摄像机给用户带来的第一人称临场感完美搭配。由酷咔数字开发的VR游戏《雇佣兵》（Mercenary）大量运用了这两种切镜头的模式，创造了十分良好的第一人称射击类（FPS）VR游戏的用户体验。
五、结语
摄像机运动模式是VR项目开发中重要的一环，摄像机移动模式是否适宜往往就决定了一部VR作品品质的优劣。然而摄像机运动模式仅仅是VR技术研究领域的一个环节，它与VR显示技术、VR传感技术、VR反馈技术等方面相互交叉、 作用，VR技术的日益成熟，将提供更优化的摄像机运动模式，创造更佳的用户体验。因此，需要时刻关注相关领域的最新发展动向和研究成果，跟进VR技术发展趋势，充分应用和发挥VR的魅力。
参考文献：
[1]胡西伟.基于三维动画与虚拟现实技术的理论研究[D].武汉大学，2005
[2]肖梦雪. 虚拟现实技术与3D立体电影[J]. 广播电视，2012，6：35-37.
[3] Wikipedia. Illusions of self-motion.[EB/OL]. https：//en.wikipedia.org/wiki/Illusions_of_self-motion#Vection，2016-10-30.