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

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。

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：

Miula Metaverse 到底是什麼？元宇宙是炒作，還是真正的科技大趨勢？| 科技巨頭解碼#78

阿財的YouTube channel

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