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沒什麼可以永垂不朽,但你有望數字化永生-漫談虛擬現實革命11

為了打造完美的虛擬現實體驗,我們需要從零開始構建一個位於異度空間的虛擬世界,或是將現實生活中的場景人物轉化成虛擬世界的一部分。在《頭號玩家》這部科幻電影中,“綠洲”公司將古往今來幾乎所有的奇幻、科幻世界場景都集成到一個龐大的“綠洲”世界中。而在《黑客帝國》中,擊敗人類後統治了整個地球的人工智能則構建了一個完全仿照現實世界的“矩陣“(Matrix)。

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電影《頭號玩家》

那麼問題來了,無論是類似“綠洲”這樣的純想象世界,還是“矩陣”這樣的現實世界“拷貝”,又是如何煉成的呢?

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《黑客帝國》

3D計算機建模

先從大多數人比較熟悉也都接觸過的3D計算機建模說起。

3D計算機建模技術發展至今已經非常成熟,也是構建虛擬現實世界的基礎技術之一。如果想穿越時空,在盛唐時期的長安街上一邊看風景一邊呼吸兩口不含霧霾的新鮮空氣,或是要坐上飛行火車去霍格沃茨魔法學院跟哈利波特一起用神奇的魔法對抗伏地魔,就得靠3D計算機建模技術構建出一個現實中並不存在的異想世界。

相信很多人都玩過或者聽說過3D游戲,和2D游戲不同的是,3D游戲世界中的場景和物體都給人栩栩如生的感覺,會讓玩家產生更強烈的代入感。3D游戲中的場景、人物和物體基本上都是使用3D計算機建模來完成的。

簡單來說,3D計算機建模就是通過各種三維軟件在虛擬的三維空間中構建出具有三維數據的模型。這個模型又被稱作3D模型,可以通過名為”3D渲染“的過程以二維的平面圖像呈現出來,或是用在各種物理現象的計算機模擬中,或是用3D打印設備創造出來。

3D建模的過程可以是自動的,也可以是手動的。手動建模的過程和人類自古就有的造型藝術和雕塑非常類似。

除了游戲之外,3D計算機建模還廣泛應用在影視、動畫、建築設計和工業產品的設計中。

目前在游戲、影視和動畫領域最常用的3D建模軟件包括3Ds Max、Maya、Blender、Softimage等,而在建築和工業設計中最常用的則是AutoCAD、Rhino等軟件。

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使用Maya軟件可以輕鬆創建出栩栩如生的3D形象

3D攝像機

3D攝像機又被稱作立體攝像機,它是利用人眼的雙眼視差效應來拍攝立體視頻圖像的設備。3D攝像機通常由兩個或多個鏡頭,通過兩個鏡頭的間距和夾角記錄影像的變化,從而形成立體視覺效果。兩個鏡頭間的距離和人的雙眼間距相似,都在6.35釐米左右。所拍攝的影像在具有立體顯示功能的設備上播放時,就可以產生具有立體感的影像效果。

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經典的3D攝像機

當然,不是所有的雙鏡頭相機都是用來拍攝立體影像的。以雙反相機為例,其中一個鏡頭用來取景和對焦,而另一個鏡頭用來拍攝。著名的雙反相機品牌包括Rolleiflex,還有Mamiya。

2012年,三星發佈了NX300相機,只用一個鏡頭就可以實現拍攝傳統2D照片、3D照片和全高清視頻的功能。

360度全景拍攝

隨著Oculus Rift等虛擬現實頭戴設備的興起,人們在驚嘆於這類頭戴設備所帶來的沉浸式體驗之餘發現了一個重要的問題,可供體驗的內容實在是寥寥無幾。雖然如Samsung和Oculus自己也推出了一些360度的視頻和圖片體驗內容,但僅僅只能讓用戶簡單的體驗一下,一旦用戶需要體驗更多的內容,就會感到十分無奈。

需要註意的是,虛擬現實體驗中提到的全景照片和視頻和傳統相機廠商提到的“全景”不是同一個概念。現在基本上所有的智能手機都提供所謂的“全景”拍攝功能,以iPhone為例,當用戶舉起手機按照屏幕上的指引水平移動手機時,就可以拍攝所謂的“全景”照片。但這種“全景”照片屬於所謂的“水平全景”照片,不能將相機頂部和底部的信息拍攝進去。

真正的360度全景拍攝需要使用至少兩個以上的廣角鏡頭(Google Jump使用了18個鏡頭,Nokia OZO使用了8個鏡頭),從不同的角度拍攝影像,並使用後期處理軟件處理成360度全景影像,或是使用機內嵌入式計算系統實時處理成360度全景影像。

以360Hero為例,推出了多種多相機組合支架,可以將6-8個GoPro運動相機通過支架組合在一起,並使用無線裝置進行同步。在拍攝完成之後,再使用以Kolor為代表的全景影像處理軟件進行後期處理。

理光於2013年推出了Theta系列360度全景相機,可以稱作業內首款消費級360度全景相機,目前已經更新到第三代。該產品採用了前後兩個超廣角魚眼鏡頭,操控非常簡單,只需要按下按鈕就可以一鍵拍攝360度全景照片,也可以拍攝短時間的全景視頻。但遺憾的是這款產品的成像質量比較差,拍攝全景視頻的時間在3分鐘以內,無法用於虛擬現實內容製作。

2014年,虛擬現實解決方案廠商NextVR使用6部昂貴的Red Epic Dragon 6k攝像機組成了一個虛擬現實全景拍攝設備,併在2015年成功實現了對NBA比賽的實時360度3D虛擬現實影像直播。2015年10月28日,NextVR實現這套設備直播了衛冕冠軍金州勇士對戰新奧爾良鵜鶘隊的揭幕戰,並配合三星Gear VR使用。遺憾的是,雖然設備本身的數據採集和處理非常流暢,但當前的網絡寬帶還不足以支持如此巨量數據的實時傳輸。

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NEXTVR使用組裝的360度全景拍攝裝置直播體育賽事

在2015年的Google I/O大會上,Google聯合運動相機廠商GoPro發佈了Google Jump解決方案,由相機設備、圖像拼接處理算法以及視頻內容播放平臺三部分組成。其中相機設備部分由16台GoPro相機組成一個陣列,可以360度無死角拍攝外部環境。

2015年7月30日,首部便攜4K 360度全景相機Sphericam 2在kickstarter上成功募集約46萬美元,在小巧的機身上集成了6枚高清攝像頭,可以實現實時全景視頻拼接和流媒體播放。

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內置6個攝像頭的4K 360度全景相機Sphericam 2

2015年7月,經歷劫後重生的Nokia發佈了首款真正意義上的虛擬現實360度全景相機OZO,在機身內集成了8枚攝像頭,分佈在球形機身的四周。OZO還配有8顆嵌入式麥克風,可以記錄360度的環境音效。OZO拍攝的視頻內容採用標準視頻格式記錄,可以讓用戶通過Oculus Rift這樣的虛擬現實頭戴設備觀看。

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內置8個攝像頭的專業級虛擬現實全景相機Nokia OZO

3D掃描

說起掃描,我們會想到在日常生活中經常使用掃描儀將文件或照片掃描成電子格式,以便分享給其他人。在構建虛擬現實世界的時候,除了使用常規的3D建模技術和實景拍攝技術,我們還可以使用3D掃描技術將真實環境、人物和物體進行快速建模,將實物的立體信息轉化成計算機可以直接處理的數字模型。

說起來連筆者自己都不敢相信,對於我們普通人來說,可能接觸最多的3D掃描技術其實是CT,也就是醫院裡面用到的CT技術。CT(Computed Tomography)又稱作計算機斷層掃描,它的原理是利用精準的X光、γ射線、超聲波等,與靈敏度極高的探測器圍繞人體的某一部位做斷層掃描,具有掃描時間快、圖像清晰等特點,可用於多種疾病的檢查。

3D掃描儀就是利用3D掃描技術將真實世界物體或環境快速建立數字模型的工具。3D掃描儀有多種類型,但通常可以分為兩大類:接觸式3D掃描儀和非接觸式3D掃描儀。目前看來,每種3D掃描技術都存在一定的局限性和特點。

接觸式3D掃描技術的精度較高,但是體積巨大、成本高昂、而且對物體錶面會造成損傷,其應用領域受到極大的限制。

光學3D掃描又分為主動和被動兩種。被動方式其實就是利用3D光感應器來捕捉物體錶面的自然光,然後利用雙眼視差原理來生成立體影像。主動方式也即向物體錶面投射特定的光,精度較高,但掃描速度慢,而且激光會對生物體造成一定的傷害。新興的主動掃描技術採用結構光,通過投影或光柵同時投射多條光線。光學3D掃描技術的成本較低,但無法處理錶面發光、有鏡面效應或是透明的物體,當然更不可能掃描物體內部的結構。

此外,用於醫學檢查或工業上使用的X光斷層掃描技術成本高昂,但可以用於無損的數字3D建模。

3D掃描技術和360度全景拍攝技術既有相似之處,也存在著一定的差別。相似的地方在於,3D掃描和360度全景拍攝技術一樣通常只能收集物體錶面的信息。不同之處在於,360度全景拍攝技術關註的是視場範圍內的物體錶面色彩信息。而3D掃描技術關註的是物體錶面的距離信息。所以用360度全景拍攝技術得到的是“瞬間”或動態的影像信息,而3D掃描技術得到的是場景或物體的三維數字模型。

那麼是否可以說3D掃描技術就可以完全替代360度全景拍攝技術呢?至少短期內這個答案是否定的。因為3D掃描技術通常用於對小範圍內的場景或單個物體進行靜態的3D建模,而360度全景拍攝技術則可以捕捉大範圍內的動態影像。此外,3D掃描技術更關註物體錶面的拓撲結構,而忽視色彩信息,360度全景拍攝技術作為傳統攝影攝像技術的升級,更關註光影和色彩。只有將兩種技術結合起來,才可以構建近乎真實的虛擬數字世界。

2013年8月,美國知名3D打印廠商MakerBot CEO Bre Pettis發佈了名為名為Digitizer的3D掃描儀。

2015年11月19日,由澳大利亞創業團隊研發的Eora 3D項目成功在kickstarter上募集了近60萬美元。Eora 3D是一個廉價的高精度智能手機3D掃描解決方案,可以配合iPhone和各種智能手機使用。使用Eora 3D掃描得到的3D數字模型可以達到低於100微米的精度,模型擁有超過800萬個頂點。該設備的掃描距離是1米,可以掃描的物體尺寸是1平方米,並提供配套的APP、軟件和雲存儲方案。

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可以配合iPhone使用的便攜式3D激光掃描儀

據說蘋果即將在2019年發佈的新iPhone旗艦機型中將採用浴霸造型的三攝像頭配置,而其中那個讓iPhone變“醜”的“多餘”的攝像頭將是支持TOF的3D攝像頭~

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傳聞中的“浴霸”iPhone XI

總的來說,3D掃描技術也還處於發展的早期階段,還欠缺方便易用的消費級解決方案。

虛擬現實引擎

在通過各種建模技術獲得了或真實或虛擬的場景、人物、物體模型之後,如何使用它們來構建一個我們所需要的虛擬世界呢?這個時候就是虛擬現實引擎登臺亮相的時候了。

一般來說,虛擬現實引擎需要具備以下功能:

1.三維場景編輯

開發人員需要把可視化的三維場景(環境、人物、物體等)模型導入,併進行後期的編輯。

2.交互信息處理

當虛擬世界中的環境、人物或物體接收到來自真實世界的交互信息(無論是以何種形式)後,需要程序對這些信息進行處理。

3.物理引擎

虛擬世界中的環境、人物或物體也應該受到類似真實世界的物理規律制約,包括重力、作用力和反作用力、摩擦力等等。

4.粒子特效編輯

為了讓虛擬世界中的畫面效果更加接近真實,需要使用各種粒子特效來模擬下雪、下雨、霧霾等自然現象。

5.動畫和動作處理

虛擬世界中的各種角色需要模擬真實世界中的各種動作,才不至於像看木偶片。

6.網絡交互

獨樂樂不如眾樂樂,如果一個虛擬世界中只有一個活生生的人,除非人工智能已經達到了極高的境界,那麼即便這個世界的風景再絢麗,顯然也是非常無趣的。

必要的時候還需要搭配一個虛擬的社交系統或虛擬社區,讓人們以化身的形式登陸虛擬的世界,並且進行各種互動。

在Oculus Rift這種頭顯設備大顯其道之前,虛擬現實其實在各個行業都已經得到了應用,所使用的引擎包括Vega Prime、WTK、Virtools、Converse3D、中視典的VR-Platform(簡稱VRP)等。

不過目前看來,最主流的虛擬現實引擎其實也是開發3D游戲的主流引擎。特別是Unity和Unreal,和海內外各大虛擬現實頭戴設備廠商和交互設備廠商都有著非常密切的合作。Unreal引擎的東家Epic Games甚至親自下場製作高水準的虛擬現實演示產品,對虛擬現實的重視程度可見一斑。

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使用虛幻4引擎製作的虛擬人物幾可亂真

備註:部分內容節選改編自本人正式出版的《虛擬現實-引領未來的人機交互革命》,蘋果高管做序,京東、噹噹、亞馬遜有售。

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