尚建民，張 岳

（1.中國廣播電視國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作總公司，北京 100045；2.中國傳媒大學(xué) 理工學(xué)部，北京 100024）

頭戴式立體顯示器在電視產(chǎn)業(yè)中的新形態(tài)應(yīng)用

尚建民1，張 岳2

（1.中國廣播電視國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作總公司，北京 100045；2.中國傳媒大學(xué) 理工學(xué)部，北京 100024）

頭戴式立體顯示器作為曾經(jīng)只在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域有限應(yīng)用的顯示設(shè)備，隨著技術(shù)的不斷成熟已逐漸顯示出在電視產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用潛力。主要圍繞目前最具代表性的頭戴式立體顯示器Oculus Rift介紹了目前該技術(shù)的發(fā)展水平、開發(fā)環(huán)境及已有應(yīng)用，并對(duì)該類設(shè)備未來在電視行業(yè)的新形態(tài)應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)想與展望。

頭戴式立體顯示器；Oculus Rift；HMD

立體視頻顯示技術(shù)是電視行業(yè)乃至整個(gè)娛樂產(chǎn)業(yè)極為關(guān)注的技術(shù)方向，眾多具備立體顯示功能的電視設(shè)備已是電視市場(chǎng)的重要一極。但迄今為止，立體顯示電視設(shè)備仍未成為市場(chǎng)的真正主流，與之配套的立體電視節(jié)目或頻道的發(fā)展也呈現(xiàn)出一定程度的停滯狀態(tài)[1]。在造成這種狀況的諸多原因中，目前的立體顯示電視仍未能帶來真正令觀者產(chǎn)生“身臨其境”的立體觀看體驗(yàn)。這其中不僅包括對(duì)理想觀看位置和觀看角度較苛刻的要求，也包括電視屏幕的大小對(duì)整體成像區(qū)域的天然限制。

針對(duì)傳統(tǒng)立體電視設(shè)備的不足，頭戴式立體顯示器（3D Head-mounted Display，3D HMD）成為眾多企業(yè)及研究者愈發(fā)關(guān)注的一個(gè)解決方案。從顯示效果而言，頭戴式立體顯示器具有一些常規(guī)顯示設(shè)備無法比擬的優(yōu)勢(shì)[2]：1）能夠提供真正“沉浸”式的的觀看體驗(yàn)。由于顯示器中顯示鏡片對(duì)雙眼的直接遮擋作用，能夠輕易提供極寬的視角。2）能夠提供獨(dú)有的“頭部跟蹤”效應(yīng)。通過在頭戴式顯示器中集成運(yùn)動(dòng)跟蹤功能，可以令觀看到的內(nèi)容隨頭部運(yùn)動(dòng)而改變，實(shí)現(xiàn)以往只有大型而昂貴的球幕顯示系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)的“環(huán)視”效果。盡管具有其他顯示設(shè)備無法比擬的優(yōu)勢(shì)，且早在1994年的CES上就已出現(xiàn)最初的商業(yè)化產(chǎn)品，但迄今為止，始終沒有出現(xiàn)能夠真正被大眾消費(fèi)市場(chǎng)所接受的成熟產(chǎn)品。這也體現(xiàn)出3D HMD設(shè)備要同時(shí)在技術(shù)水平與工業(yè)設(shè)計(jì)兩方面達(dá)到普遍可接受水平的較高難度。而Oculus Rift的出現(xiàn)，使人們第一次看到了真正有望為大眾消費(fèi)市場(chǎng)廣泛接受的3D HMD設(shè)備。

1 Oculus Rift帶來的新突破

1.1 基本組成及性能特點(diǎn)

Oculus rift是由Oculus VR公司推出的集成了運(yùn)動(dòng)感應(yīng)器的3D HMD設(shè)備，目前已發(fā)展至第二代[3-4]。其外觀如圖1所示。頭戴顯示器重量為0.22 kg，分辨率由一代的1 280×800（每只眼640×800）提升至1 920× 1 080，刷新頻率從一代的60 Hz提升至75 Hz。在頭戴式顯示器內(nèi)部，包含一組（兩片）距離屏幕約3～4 cm的中倍率透鏡，觀看者的眼部距離透鏡1 cm左右，通過透鏡分別看到左右眼畫面，如圖2所示。一代設(shè)備中通過加速度感測(cè)器、陀螺儀感測(cè)器與地磁感測(cè)器提供6自由度低延遲跟蹤功能，而二代則在此基礎(chǔ)上增加了紅外線光學(xué)定位追蹤，透過獨(dú)立的近紅外線CMOS感測(cè)器攝影機(jī)與顯示器內(nèi)嵌的隱藏光學(xué)標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)了更精確地追蹤使用者頭部的位置，從而能夠?qū)χT如探頭動(dòng)作等提供更逼真的虛擬實(shí)境回饋。

圖1 Oculus Rift二代外觀

圖2 左右眼透鏡

與其他HMD設(shè)備相比，Oculus Rift主要具有下列幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：

1）極寬的視角：對(duì)角線110°、水平視角90°。從而帶來了接近于完全沉浸式的畫面。而包括索尼在內(nèi)的大多數(shù)頭戴顯示器則采用影院模式，視覺效果僅僅是眼前的一個(gè)矩形屏幕。

2）高精度的頭部跟蹤：極低延遲、近乎完美的頭部跟蹤效果使得顯示內(nèi)容能夠根據(jù)需要精確地隨頭部的擺動(dòng)而改變。這是為觀看者提供真正完全沉浸其中的視覺體驗(yàn)的必要因素。

3）較低的價(jià)格：只需要2 000元左右就可以獲取一套開發(fā)者版Oculus Rift，較之索尼等公司同類產(chǎn)品動(dòng)輒5 000元以上的價(jià)格顯然親民許多。

1.2 基于OculusRift的應(yīng)用開發(fā)

每套Oculus Rift開發(fā)者套件都內(nèi)含軟件開發(fā)包（SDK），其中包括源代碼、說明文檔與示例程序。目前已支持Windows、Mac OS與Linux操作系統(tǒng)，新版本SDK也即將加入對(duì)Android移動(dòng)平臺(tái)的支持。

SDK中的底層3D渲染部分同時(shí)提供了對(duì)OpenGL和DirectX的支持，但由于游戲領(lǐng)域是Oculus Rift最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一，而游戲引擎早已成為游戲開發(fā)中至關(guān)重要的工具和基礎(chǔ)，因此能否獲得主流游戲引擎的支持對(duì)其能否得到眾多游戲開發(fā)者的青睞有著重要的意義。目前，最主流商業(yè)游戲引擎中的Unreal En?gine 4以及在移動(dòng)平臺(tái)風(fēng)頭最勁的Unity3D引擎均已宣布支持Oculus Rift[5]，在引擎內(nèi)部提供了開發(fā)其應(yīng)用的API，從而大大降低了高端沉浸式游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)及其他應(yīng)用的開發(fā)難度。圖3展示了在Unity3D引擎中進(jìn)行Oculus 3D程序開發(fā)的界面。

圖3 Unity3D中進(jìn)行Oculus程序開發(fā)的界面（截圖）

2 在電視產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用分析及展望

隨著以O(shè)culus Rift為優(yōu)秀代表的頭戴式立體顯示器的快步發(fā)展并逐步進(jìn)入千家萬戶，電視產(chǎn)業(yè)同樣需要認(rèn)真考慮該類型產(chǎn)品在未來對(duì)從內(nèi)容制作到最終顯示的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈帶來的影響和變化，把握該類型設(shè)備將帶來的重要機(jī)遇。而其中的一個(gè)重要分析因素就在于3D HMD在電視產(chǎn)業(yè)中較為適宜的應(yīng)用場(chǎng)景。就目前已出現(xiàn)和可預(yù)見的趨勢(shì)而言，3D HMD在以下幾個(gè)應(yīng)用中將帶來嶄新的應(yīng)用形態(tài)：

1）電視游戲。毋庸質(zhì)疑，游戲是3D HMD設(shè)備目前最火熱的應(yīng)用形態(tài)。目前已有眾多游戲公司和開發(fā)者為Oculus Rift開發(fā)原有游戲的移植作品或完全針對(duì)其開發(fā)的原創(chuàng)游戲作品。微軟Xbox One游戲主機(jī)已經(jīng)提供對(duì)于Oculus Rift的支持，而隨著進(jìn)一步引入An?droid平臺(tái)，在眾多的Android機(jī)頂盒上結(jié)合Oculus Rift，沉浸式立體游戲也不再遙遠(yuǎn)。索尼公司在2014年的游戲開發(fā)者大會(huì)上同樣針對(duì)性地發(fā)布了應(yīng)用于其PS4游戲主機(jī)的3D HMD設(shè)備“Project Morhpeus”。由于電視游戲在游戲市場(chǎng)一直占據(jù)著龐大的份額，而上海自貿(mào)區(qū)的建立又使得Xbox及PS系游戲主機(jī)即將進(jìn)入中國市場(chǎng)，可以預(yù)見，3D HMD設(shè)備無論在中國還是在世界范圍內(nèi)都將成為電視游戲產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分。

2）新形態(tài)教育類節(jié)目。Oculus Rift等民用級(jí)3D HMD設(shè)備帶來的沉浸式觀看體驗(yàn)顯然對(duì)于教育類，尤其是科教類節(jié)目具有先天的適應(yīng)性，學(xué)習(xí)者將從有限范圍畫面的單純觀看者轉(zhuǎn)變?yōu)?60°融入整個(gè)虛擬教學(xué)環(huán)境。而通過進(jìn)一步結(jié)合相應(yīng)的互動(dòng)特性，學(xué)習(xí)者將真正成為虛擬教學(xué)世界中自由的體驗(yàn)者與操控者，這很可能帶來教育類節(jié)目教學(xué)效果的實(shí)質(zhì)性提高。

3）新形態(tài)電視劇及娛樂節(jié)目。美國HBO電視網(wǎng)已經(jīng)基于Oculus Rift制作出了電視劇集《權(quán)力的游戲》的虛擬現(xiàn)實(shí)特別版，盡管只是與實(shí)景結(jié)合的短短90 s，但其給觀者帶來的新穎體驗(yàn)已經(jīng)為有遠(yuǎn)見的電視劇制作者們提供了一個(gè)廣闊的想象空間。類似的例子還包括一家視頻公司為Oculus Rift打造的一部全沉浸式3D紀(jì)錄短片等。

3 結(jié)語

盡管目前包括Oculus Rift在內(nèi)的3D HMD設(shè)備仍存在諸如佩戴舒適性、無法完全消除眩暈感等不足之處[6]，但其完全顛覆現(xiàn)有觀看體驗(yàn)的特性無疑代表著未來的重要發(fā)展方向。因而對(duì)電視產(chǎn)業(yè)而言，無論從內(nèi)容制作、數(shù)據(jù)傳輸，及至觀看者行為分析的整個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)盡早針對(duì)這一新的趨勢(shì)做好充分的準(zhǔn)備。

[1]牛曉佳.中國3D產(chǎn)業(yè)專利布局初探[J].電視技術(shù)，2013，37（S2）：403-405.

[2] BOAS Y.Overview of virtual reality technologies[EB/OL]. [2014-04-01].http://mms.ecs.soton.ac.uk/2013/papers/yavb1g12_ 25879847_finalpaper.pdf.

[3]PARKIN S.Oculus Rift會(huì)把虛擬神奇變成商業(yè)現(xiàn)實(shí)嗎?[J].科技創(chuàng)業(yè)，2013（10）：26-28.

[4] Oculus rift-virtual reality headset for 3d gaming[EB/OL]. [2014-04-01].http://www.oculusvr.com.

[5] ARORA T.Experimental game design with the Oculus Rift[C]// Proc.2014 IEEE Virtual Reality.Minneapoils，MN，USA：IEEE Press，2014：1-2.

[6] SEPPANEN T.Unwanted side effects of immersive virtual reality using head-mounted displays[EB/OL].[2014-04-01].http://www. ee.oulu.fi/～vassilis/courses/resmeth/2013_ex1_sample/2013.sep?panen.pdf.

TN949

A

?? 京

2014-04-25

【本文獻(xiàn)信息】尚建民，張?jiān)?頭戴式立體顯示器在電視產(chǎn)業(yè)中的新形態(tài)應(yīng)用[J].電視技術(shù)，2014，38（12）.

尚建民，中國廣播電視國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作總公司，總經(jīng)理助理兼工程三部經(jīng)理；

張 岳，中國傳媒大學(xué)理工學(xué)部，講師。