不少人誤以為VR就一定是三維立體的，這其實(shí)大錯(cuò)特錯(cuò)。許多VR游戲的場(chǎng)景通過(guò)人工建模制成，確實(shí)是三維的，而且玩家還能在其中“自由”移動(dòng)，但是那些通過(guò)VR攝像機(jī)實(shí)景拍攝的VR全景視頻，本質(zhì)上卻依然是平面的，觀眾當(dāng)然無(wú)法進(jìn)入到這種二維世界里。下面我們就來(lái)聊聊二維的VR視頻如何轉(zhuǎn)換成三維場(chǎng)景，以及觀眾如何在其中“自由”移動(dòng)、游覽。

為何不能在VR全景里行走

當(dāng)我們戴上眼鏡進(jìn)入VR全景視頻（本文指實(shí)景拍攝的VR視頻）構(gòu)建的虛擬空間時(shí)，就恍如置身于立體的世界，可以上下左右自由環(huán)顧四周的風(fēng)景。但是很快我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)VR空間中“我”卻寸步難行。

為什么能隨意看卻不能隨意走？這是由VR全景視頻的本質(zhì)決定的。在觀看普通電影的時(shí)候，從來(lái)沒(méi)人奢望過(guò)能走進(jìn)電影的世界里，因?yàn)槲覀兌贾�道電影只是一塊幕布，是一個(gè)二維的平面，當(dāng)然走不進(jìn)去。

其實(shí)VR全景視頻本質(zhì)上也是二維平面的“幕布”，所不同的是，它不只有一塊幕布，而是由很多塊幕布“縫合”而成，包圍在我們四周，這和我們觀看360度環(huán)幕電影時(shí)的感覺(jué)相似（圖1）。所以VR全景視頻產(chǎn)生的是360度的沉浸感，卻并非立體的影像。

圖1 環(huán)幕電影就是一個(gè)外化的VR全景視頻

VR攝影有專(zhuān)門(mén)的攝像機(jī)，一般由6臺(tái)獨(dú)立的相機(jī)組合而成（最少的由2臺(tái)相機(jī)組合，多的還可以是9臺(tái)、12臺(tái)等等），分別對(duì)著上下左右前后6個(gè)方向同時(shí)取景拍攝。每臺(tái)相機(jī)拍攝到的實(shí)際上就是一個(gè)普通的視頻，通過(guò)后期軟件將所有相機(jī)的視頻“縫合”在一起后，便生成了極具沉浸感的VR空間（圖2、圖3）。如上所述，沉浸感并非三維立體，本質(zhì)上它們還是二維平面的，所以觀眾當(dāng)然無(wú)法進(jìn)入其中行走、瀏覽了。

圖2 VR攝像機(jī)從場(chǎng)景的不同角度同時(shí)拍攝

圖3 VR將不同角度的二維視頻“縫合”成一個(gè)整體

6DoF和空間自由度

在探索VR視頻如何進(jìn)行三維重建之前，我們先來(lái)了解一個(gè)關(guān)鍵概念——自由度。自由度DoF是Degree of Freedom的英文縮寫(xiě)，統(tǒng)計(jì)學(xué)中表示變量的個(gè)數(shù)，而在物理力學(xué)系統(tǒng)中則表示的是獨(dú)立坐標(biāo)的個(gè)數(shù)。一個(gè)立體空間總共有X、Y、Z三條直角坐標(biāo)軸，這便是3個(gè)自由度。如果空間中的某個(gè)物體可以不受任何約束的運(yùn)動(dòng)，那么它沿著每條軸至少可以做平移和旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)，2乘以3等于6，所以這個(gè)物體在空間總共具備6個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)方式，這便是6個(gè)自由度了（6DoF），下面的圖片形象地說(shuō)明了這一點(diǎn)（圖4）。

圖4 三條直角坐標(biāo)軸和兩種運(yùn)動(dòng)方式構(gòu)建6DoF（網(wǎng)上動(dòng)圖示例：http://t.cn/E7cfa1G）

用這一概念對(duì)前文所述的內(nèi)容重新做個(gè)總結(jié)，就是普通電影只有1DoF，無(wú)論我們前后左右的移動(dòng)位置，所看到的電影畫(huà)面內(nèi)容是固定不變的。而VR全景視頻則有3DoF，當(dāng)我們的眼睛沿著X和Y兩條軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)（也就是上下左右看），可以看到不同的畫(huà)面內(nèi)容。

360度光場(chǎng)相機(jī)實(shí)現(xiàn)6DoF空間

普通的VR全景視頻中，觀賞者被賦予3DoF的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能力，所以在固定的一點(diǎn)可以看到不同方向的場(chǎng)景。不過(guò)普通的VR全景視頻不具備3DoF的平移運(yùn)動(dòng)能力，所以無(wú)論我們?nèi)绾巫邉?dòng)，看到的畫(huà)面都沒(méi)有任何改變，這也就是我們?cè)赩R空間中沒(méi)有移動(dòng)感的主要原因。

國(guó)外廠商推出一種360度光場(chǎng)相機(jī)（圖5），可以制作帶有深度信息的6Dof視頻。

圖5 光場(chǎng)相機(jī)產(chǎn)品圖

它的原理類(lèi)似于地理上的三角測(cè)量法，因?yàn)楣鈭?chǎng)相機(jī)是球面的，空間中的任意一點(diǎn)可以被多個(gè)相機(jī)觀測(cè)到，這便產(chǎn)生了許多重合區(qū)域，從而最大化記錄場(chǎng)景內(nèi)容，通過(guò)運(yùn)算獲取被攝物體的深度信息（圖6）。當(dāng)我們觀看光場(chǎng)視頻時(shí)，隨著走動(dòng)，這些深度信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)圖像顯示出來(lái)，便給了我們真實(shí)的移動(dòng)感。

圖6 光場(chǎng)相機(jī)的拍攝原理

不過(guò)與VR游戲中通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的3D建模不同，光場(chǎng)相機(jī)要受物理鏡頭的制約，它記錄下的三維信息非常有限，當(dāng)觀眾的移動(dòng)超出一定范圍，因?yàn)闆](méi)有了更多新信息，便會(huì)導(dǎo)致畫(huà)面不再變化，也就意味著觀眾的行動(dòng)“受阻”了，遠(yuǎn)沒(méi)有VR游戲中的“自由”。

定位追蹤與6DoF三維重建

在最近的Oculus Connect5大會(huì)上，Oculus發(fā)布了首款能夠完全獨(dú)立運(yùn)作6DoF的VR一體機(jī)Santa Quest，它可以在數(shù)千平米的范圍內(nèi)進(jìn)行追蹤，具備三維空間建模能力，將VR與現(xiàn)實(shí)世界融為一體。

Santa Quest使用的Oculus Insight，是他們對(duì)負(fù)責(zé)追蹤和定位等各技術(shù)的統(tǒng)稱(chēng)，通過(guò)放置在Santa Quest頭盔外側(cè)的四個(gè)超廣角鏡頭，配合特殊的算法實(shí)時(shí)追蹤用戶(hù)的位置，在我們于VR空間進(jìn)行6DoF運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示相應(yīng)的情景，這樣我們?cè)谶@個(gè)虛擬世界中就獲得了真實(shí)的移動(dòng)感，使得我們能在這個(gè)VR世界里任意走動(dòng)，瀏覽不同的風(fēng)景（圖7）。

圖7 Santa Quest構(gòu)建的VR空間可以進(jìn)行6DoF運(yùn)動(dòng)

Santa Quest的重要革新，不只是實(shí)現(xiàn)了6DoF，而在于它對(duì)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)三維重建，它能識(shí)別出現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的各種物體的形狀甚至是材質(zhì)，然后通過(guò)創(chuàng)建三維點(diǎn)云地圖，讓我們?cè)赩R的環(huán)境中安全的走動(dòng)，防止現(xiàn)實(shí)中的碰撞（圖8）。

圖8 Santa Quest進(jìn)行三維重建

VR技術(shù)的熱潮已經(jīng)過(guò)去，現(xiàn)在是它的平穩(wěn)發(fā)展時(shí)期，未來(lái)它不只是會(huì)給我們帶來(lái)驚喜，更多將是有助于生活的實(shí)際應(yīng)用，值得我們隨時(shí)的關(guān)注。