头戴式立体显示器在电视产业中的新形态应用

尚建民，张 岳

（1.中国广播电视国际经济技术合作总公司，北京 100045；2.中国传媒大学 理工学部，北京 100024）

头戴式立体显示器在电视产业中的新形态应用

尚建民1，张 岳2

（1.中国广播电视国际经济技术合作总公司，北京 100045；2.中国传媒大学 理工学部，北京 100024）

头戴式立体显示器作为曾经只在虚拟现实领域有限应用的显示设备，随着技术的不断成熟已逐渐显示出在电视产业中的广泛应用潜力。主要围绕目前最具代表性的头戴式立体显示器Oculus Rift介绍了目前该技术的发展水平、开发环境及已有应用，并对该类设备未来在电视行业的新形态应用进行了设想与展望。

头戴式立体显示器；Oculus Rift；HMD

立体视频显示技术是电视行业乃至整个娱乐产业极为关注的技术方向，众多具备立体显示功能的电视设备已是电视市场的重要一极。但迄今为止，立体显示电视设备仍未成为市场的真正主流，与之配套的立体电视节目或频道的发展也呈现出一定程度的停滞状态[1]。在造成这种状况的诸多原因中，目前的立体显示电视仍未能带来真正令观者产生“身临其境”的立体观看体验。这其中不仅包括对理想观看位置和观看角度较苛刻的要求，也包括电视屏幕的大小对整体成像区域的天然限制。

针对传统立体电视设备的不足，头戴式立体显示器（3D Head-mounted Display，3D HMD）成为众多企业及研究者愈发关注的一个解决方案。从显示效果而言，头戴式立体显示器具有一些常规显示设备无法比拟的优势[2]：1）能够提供真正“沉浸”式的的观看体验。由于显示器中显示镜片对双眼的直接遮挡作用，能够轻易提供极宽的视角。2）能够提供独有的“头部跟踪”效应。通过在头戴式显示器中集成运动跟踪功能，可以令观看到的内容随头部运动而改变，实现以往只有大型而昂贵的球幕显示系统才能实现的“环视”效果。尽管具有其他显示设备无法比拟的优势，且早在1994年的CES上就已出现最初的商业化产品，但迄今为止，始终没有出现能够真正被大众消费市场所接受的成熟产品。这也体现出3D HMD设备要同时在技术水平与工业设计两方面达到普遍可接受水平的较高难度。而Oculus Rift的出现，使人们第一次看到了真正有望为大众消费市场广泛接受的3D HMD设备。

1 Oculus Rift带来的新突破

1.1 基本组成及性能特点

Oculus rift是由Oculus VR公司推出的集成了运动感应器的3D HMD设备，目前已发展至第二代[3-4]。其外观如图1所示。头戴显示器重量为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，刷新频率从一代的60 Hz提升至75 Hz。在头戴式显示器内部，包含一组（两片）距离屏幕约3～4 cm的中倍率透镜，观看者的眼部距离透镜1 cm左右，通过透镜分别看到左右眼画面，如图2所示。一代设备中通过加速度感测器、陀螺仪感测器与地磁感测器提供6自由度低延迟跟踪功能，而二代则在此基础上增加了红外线光学定位追踪，透过独立的近红外线CMOS感测器摄影机与显示器内嵌的隐藏光学标记，实现了更精确地追踪使用者头部的位置，从而能够对诸如探头动作等提供更逼真的虚拟实境回馈。

图1 Oculus Rift二代外观

图2 左右眼透镜

与其他HMD设备相比，Oculus Rift主要具有下列几个突出的优点：

1）极宽的视角：对角线110°、水平视角90°。从而带来了接近于完全沉浸式的画面。而包括索尼在内的大多数头戴显示器则采用影院模式，视觉效果仅仅是眼前的一个矩形屏幕。

2）高精度的头部跟踪：极低延迟、近乎完美的头部跟踪效果使得显示内容能够根据需要精确地随头部的摆动而改变。这是为观看者提供真正完全沉浸其中的视觉体验的必要因素。

3）较低的价格：只需要2 000元左右就可以获取一套开发者版Oculus Rift，较之索尼等公司同类产品动辄5 000元以上的价格显然亲民许多。

1.2 基于OculusRift的应用开发

每套Oculus Rift开发者套件都内含软件开发包（SDK），其中包括源代码、说明文档与示例程序。目前已支持Windows、Mac OS与Linux操作系统，新版本SDK也即将加入对Android移动平台的支持。

SDK中的底层3D渲染部分同时提供了对OpenGL和DirectX的支持，但由于游戏领域是Oculus Rift最重要的应用领域之一，而游戏引擎早已成为游戏开发中至关重要的工具和基础，因此能否获得主流游戏引擎的支持对其能否得到众多游戏开发者的青睐有着重要的意义。目前，最主流商业游戏引擎中的Unreal En⁃gine 4以及在移动平台风头最劲的Unity3D引擎均已宣布支持Oculus Rift[5]，在引擎内部提供了开发其应用的API，从而大大降低了高端沉浸式游戏、虚拟现实及其他应用的开发难度。图3展示了在Unity3D引擎中进行Oculus 3D程序开发的界面。

图3 Unity3D中进行Oculus程序开发的界面（截图）

2 在电视产业中的应用分析及展望

随着以Oculus Rift为优秀代表的头戴式立体显示器的快步发展并逐步进入千家万户，电视产业同样需要认真考虑该类型产品在未来对从内容制作到最终显示的整个产业链带来的影响和变化，把握该类型设备将带来的重要机遇。而其中的一个重要分析因素就在于3D HMD在电视产业中较为适宜的应用场景。就目前已出现和可预见的趋势而言，3D HMD在以下几个应用中将带来崭新的应用形态：

1）电视游戏。毋庸质疑，游戏是3D HMD设备目前最火热的应用形态。目前已有众多游戏公司和开发者为Oculus Rift开发原有游戏的移植作品或完全针对其开发的原创游戏作品。微软Xbox One游戏主机已经提供对于Oculus Rift的支持，而随着进一步引入An⁃droid平台，在众多的Android机顶盒上结合Oculus Rift，沉浸式立体游戏也不再遥远。索尼公司在2014年的游戏开发者大会上同样针对性地发布了应用于其PS4游戏主机的3D HMD设备“Project Morhpeus”。由于电视游戏在游戏市场一直占据着庞大的份额，而上海自贸区的建立又使得Xbox及PS系游戏主机即将进入中国市场，可以预见，3D HMD设备无论在中国还是在世界范围内都将成为电视游戏产业中的重要组成部分。

2）新形态教育类节目。Oculus Rift等民用级3D HMD设备带来的沉浸式观看体验显然对于教育类，尤其是科教类节目具有先天的适应性，学习者将从有限范围画面的单纯观看者转变为360°融入整个虚拟教学环境。而通过进一步结合相应的互动特性，学习者将真正成为虚拟教学世界中自由的体验者与操控者，这很可能带来教育类节目教学效果的实质性提高。

3）新形态电视剧及娱乐节目。美国HBO电视网已经基于Oculus Rift制作出了电视剧集《权力的游戏》的虚拟现实特别版，尽管只是与实景结合的短短90 s，但其给观者带来的新颖体验已经为有远见的电视剧制作者们提供了一个广阔的想象空间。类似的例子还包括一家视频公司为Oculus Rift打造的一部全沉浸式3D纪录短片等。

3 结语

尽管目前包括Oculus Rift在内的3D HMD设备仍存在诸如佩戴舒适性、无法完全消除眩晕感等不足之处[6]，但其完全颠覆现有观看体验的特性无疑代表着未来的重要发展方向。因而对电视产业而言，无论从内容制作、数据传输，及至观看者行为分析的整个环节都应尽早针对这一新的趋势做好充分的准备。

[1]牛晓佳.中国3D产业专利布局初探[J].电视技术，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会把虚拟神奇变成商业现实吗?[J].科技创业，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.

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2014-04-25

【本文献信息】尚建民，张岳.头戴式立体显示器在电视产业中的新形态应用[J].电视技术，2014，38（12）.

尚建民，中国广播电视国际经济技术合作总公司，总经理助理兼工程三部经理；

张 岳，中国传媒大学理工学部，讲师。