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Metaverse 元宇宙裡面蘊含的科技 - VR虛擬實境基礎原理介紹(上) [1]

閱讀時間約 6 分鐘
元宇宙Metaverse,這陣子又被推到風口浪尖,魷魚遊戲(Squid Game)在Netflix上大火之後,Roblox上也用近乎瘋狂的速度上架還原了其中的場景,當然目前還只是隔著螢幕操控人物,沒有辦法很身歷其境。
今天是阿財在方格子上的第一篇文章,就從「元」宇宙開始,探索這個元宇宙裡面的技術,如果還不了解元宇宙概念的朋友,可以去看Miula大大千字文的介紹,另外也推薦一部電影「一級玩家(Ready Player One)」裡面很好的具象化元宇宙的概念。
想要實現元宇宙,有三個大類的技術我認為是必不可少的:
VR虛擬實境/AR擴增實境
AI人工智能
晶片
當然衍生出來的產業還有非常多,例如區塊鍊的應用或是無線傳輸等…
這一篇文章我們就從Virtual Reality(VR)出發,相信大部分的人對這個詞不陌生但也不熟悉,就像是隔壁鄰居的王叔叔一樣,見過幾次面但又知之甚少,阿財今天就給大家講講Metaverse中不可或缺的工具之一 - VR裡的奧秘。
有關VR/AR/MR這些R怎麼區分?
這邊我引用Flavián, Carlos, Sergio Ibáñez-Sánchez, and Carlos Orús(2019)文章的圖片簡單和大家說明,最左邊是真實世界,中間又稱Mixed Reality (MR)混合實境,如果我們將混合實境細化,又可以分出Augmented Reality(AR)擴增實境和Augmented Virtuality(AV)擴增虛擬,而最右邊就是我們今天的主角Virtual Reality(VR)虛擬實境,從下圖我們可以很明顯的知道,越左邊就是越接近真實環境,越右邊就是越接近虛擬環境,所以這些R很好區分-
就是真實環境和虛擬環境占比不同而已。
大家不要擔心,雖然今天阿財主講VR,但其他技術阿財都會給大家一一補上,所以歡迎大家追蹤起來喔~
AR/MR/MR分類[1]
VR顧名思義就是一個純虛擬的場景,如何讓使用者沉浸在虛擬場景之中,這就牽扯到非常多的技術。
VR終極目標是要讓使用者判斷不出來自己在真實環境還是虛擬空間。
而要讓虛擬的場景越真實,就需要我們VR的視角越大並且影像品質越好!
視角Field of View (FOV)
可以定義為相機或人眼能接收到影像角度的範圍,算法也非常簡單如下圖我拿水平FOV舉例,只要知道與影像的距離和影像的大小,再利用簡單的三角函數,就可以求出FOV,在相同距離下FOV越大,代表影像越大,我們視野幾乎都占滿了虛擬影像,所以看到的外界真實環境就越少,這樣沉浸感當然就越明顯,這就是為什麼去電影院看電影會比在家看80吋電視更有身歷其境的感覺!
FOV視角計算
而我們人眼的FOV計算上比較複雜,水平FOV大概可以達到120度(看的較清楚),超過120度的部份我們也能感知(有許多討論,人類大約可以感知到水平FOV約180度)。
影像品質
影像品質大多數由顯示器和透鏡決定,這裡牽扯到許多元件,所以我們就要來拆解一下VR眼鏡的構造,早期Google有推出一款VR眼鏡叫Google Cardboard,構造非常簡單如下圖三個部份組成:一個外殼,兩個透鏡和一台手機(顯示器)!
圖片來源:Google Cardboard[2]
VR的構造如此簡單,那到底如何把虛擬的影像投影到我們眼中?
這裡要幫大家複習一下國中的凸透鏡成像原理,如下圖,我們將顯示器放在凸透鏡的一倍焦距內,那國中理化老師有說過:
物體在一倍焦距內,成像為放大正立虛像。
凸透鏡成像原理
所以大家知道為什麼VR眼鏡一拆開會發現兩顆大大的透鏡了吧,一個透鏡歸左眼,一個透鏡歸右眼拉~當然這裡所使用的凸透鏡也有很多貓逆(細節)並且我們現在只是把影像放大而已,有玩過VR的朋友都知道,VR裡面的影像都是3D的,如何把2D的影像變成3D的呢?下集我們會來講講3D成像原理和VR的靈魂之窗-透鏡。
有聲版的原理,大家可以參考我的影片上下兩集,影片中包含VR常用的顯示器和參數,看完讓大家滿載而歸唷~
那這個Google Cardboard的問題也顯而易見,就是虛擬場景的解析度和影像完全取決於手機,並且瞳距(兩隻眼睛的距離)沒有辦法調整,這會大大影響到使用的體驗,所以這種搭配手機的VR我們稱它為-便攜式VR,好處就是方便而且便宜,像Google Cardboard這個紙盒子加上透鏡只要幾百塊台幣就可以入手囉~
那另外一種就是大家常常聽到的VR裝置,如:HTC vive和FB的Oculus等,這類型的VR本身比較貴但影像品質和使用沉浸感都會比較強,因為這種裝置的透鏡經過優化並且利用微型顯示器取代了手機,整個VR眼鏡架構還牽扯到許多光機(光學機構),所以價格就從幾百元飆到幾萬台幣囉,如果要用這類的VR玩4K畫質的遊戲,還需要搭配非常好的硬體,遙想當年玩VR還配了GTX1080呢~
最後用VR小分類圖結束這次的文章,那我們下期再見!
VR裝置簡易分類[2~6]
延伸閱讀:
裡面介紹許多科技相關技術喔~
參考資料:
[1] Flavián, Carlos, Sergio Ibáñez-Sánchez, and Carlos Orús. "The impact of virtual, augmented and mixed reality technologies on the customer experience."Journal of business research100 (2019): 547-560.
[2] 圖片來源-Google Cardboard
[3] 圖片來源-Samsung Gear VR
[4] 圖片來源-Sony playstation VR
[5] 圖片來源-FB oculus
[6] 圖片來源-HTC VIVE
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此專輯主要探討元宇宙相關的技術,包含虛擬實境(VR)、擴增實境(AR)、物理引擎和各種生成虛擬影像內容的算法,歡迎大家來坐坐聊聊並留言發表你的看法,如果覺得阿財寫的不錯也不要吝嗇你們的愛心~當然也可以贊助阿財,讓阿財更有寫作的動力唷~
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