游戏与沉浸式虚拟现实的结合——Future of Gaming and Immersive Virtual Reality

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

一直以来，虚拟现实（VR）已经成为许多人的青睐。它可以带给用户身临其境的沉浸式体验，并且能将人们投射到完全不同的、高度互动化的世界中。VR技术已经深入人心，其中包括游戏行业中的应用。作为娱乐领域，VR也在逐渐向着全面的商业化转型。
游戏产业面临的一个重要问题就是如何将VR技术引入其中，提升游戏的真实感、细节和刺激性。游戏行业正在经历一个颠覆性的变革。游戏领域逐渐步入虚拟化时代，VR不仅是一种新的互动方式，而且是游戏生产方式的重要组成部分。这项技术有可能成为游戏行业颠覆性变革的关键驱动力。
那么，VR和游戏之间是否存在着什么样的关系呢？VR技术所带来的真实感体验和角色扮演能力该如何融合到游戏设计中呢？本文就试图探索这个问题，并从宏观视角对当前VR技术发展趋势进行展望，进而阐述VR技术和游戏之间的整体发展方向。

2.背景介绍

VR技术概览

VR (Virtual Reality) 是指通过计算机生成的假想环境，让用户在此世界中获得真正的身临其境的沉浸体验。VR 技术通常采用增强现实 (AR) 或电子现实 (VR/ER) 的形式出现，在 VR 中，用户使用的是“虚拟”世界，也就是所谓的“头戴设备”，在这个虚拟空间里，用户可以尽情地交互，体验到真实的感受。目前市场上主要的 VR 框架有 Oculus Rift、HTC Vive、Samsung Gear VR 和 Microsoft HoloLens 等。如下图所示，这些框架都属于异构系统，由硬件组件和软件应用程序两部分组成。硬件组件负责提供硬件上的计算资源，如眼睛和运动捕捉装置；软件应用程序则负责处理用户的输入，控制虚拟环境的运动，并提供给用户相应的虚拟现实体验。

游戏行业

游戏行业是 VR 发展的一个重要推动力。全球游戏产业规模居世界第一，有超过三分之一的游戏玩家以外出消费。游戏是人类活动的虚拟反映，每天都在产生大量的数据。通过虚拟现实技术能够更加精准地满足人类的需要，使得游戏更加丰富生动。游戏开发者需要花费大量的时间和金钱研发出高质量的游戏产品。相比其他行业，游戏行业拥有最广泛的软硬件资源，游戏产业链条非常复杂。下图是一个典型的游戏产品开发流程。

VR在游戏中的应用

VR 在游戏中的应用无处不在。在游戏领域中，VR技术已经广泛应用在虚拟角色互动、ARPG、RACING等各个领域。VR的应用给玩家提供了极大的想象力和沉浸感。许多游戏公司为了吸引用户采用VR设备，会在游戏中嵌入特定的VR技术模块。比如美国著名游戏开发商Ubisoft就在其众多游戏中加入了虚拟现实元素，让玩家在游戏中有机会与虚拟角色互动。截止目前，国内游戏公司也都纷纷采用VR技术提升用户体验。例如腾讯游戏平台2017年发布了首款虚拟现实游戏《黑夜行动》，希望通过VR让玩家在梦幻的虚拟现实世界中，从事危险且陡峭的冒险。VR不但能够带来新鲜感，还能引起游戏玩家的情绪变化，促进社交和消费行为，创造新的游戏体验。因此，VR将会成为游戏行业的重要组成部分。

VR的未来趋势

随着 VR 技术的快速发展，目前已有的一些VR技术已经具备商业化的应用前景。比如 Google Cardboard、Vuforia、Spatial Perception SDK 等都是商业化的先锋。其中 Google Cardboard 可用于建造虚拟现实场景，Vuforia 则可实现目标跟踪，Spatial Perception SDK 则可用于创建可穿戴设备的沉浸式虚拟现实应用。另外，国内厂商也积极参与 VR 相关产业的布局，如 HTC VIVE、Oculus RIFT、科大讯飞 Mira FE、Samsung Gear VR 等。国内游戏企业也日益注重 VR 产业的布局，如国美这家游戏公司就在其旗舰游戏《梦幻西游》中加入了 VR 技术。所以，VR 技术仍然处于起步阶段，它的发展速度远远快于其他行业。其未来的发展方向也具有极大的弹性。首先，VR 技术的商业化还是一个重要的挑战。VR 技术应当更好地服务于游戏玩家的需求，赋予其独到的体验。其次，VR 技术的技术水平与交互体验也将会越来越高。最后，VR 技术的物理属性、虚拟环境、互动机制、场景呈现、渲染技术等方面都会持续得到提升。而这些方面在未来都有可能成为 VR 技术的核心要素，进一步推动 VR 技术的发展。

3.基本概念术语说明

虚拟现实（VR）

虚拟现实（VR），是指利用数字化技术将真实世界的图像或影像呈现出来，让用户通过视觉、触觉、嗅觉等身体感官与之互动。这样的虚拟现实可以提供一种完全不同于现实生活的真实体验，是现实世界和虚拟世界融合的产物，是将人类与数字世界连接起来的技术。虚拟现实技术的主要特征是在计算机生成的虚拟环境中，用户既能看到真实场景，又能在虚拟环境中自由自主地进行各种互动。虚拟现实技术可以帮助人类认识真实世界，并形成直观的思维、洞察力和幽默感。它使人类得以摆脱现实世界的桎梏，将注意力完全投放到虚拟现实世界中，因而能够提升个人能力、生活品质、职业技能、工作效率及个人生活品位。虚拟现实的范围和发展历史可分为三个阶段：第一阶段是单纯利用视网膜显示器显示的虚拟现实，称为第一视角（Monocular Viewing）。第二阶段是将视点固定住，使用两个或多个眼睛同时查看，称为立体视角（Stereo Viewing）。第三阶段是将真实世界投影到虚拟环境中，称为沉浸式虚拟现实（Immersive Virtual Reality，IVR）。截止目前，由于硬件性能的限制，第三阶段的应用尚不广泛。

虚拟现实开发工具包（VRP）

虚拟现实开发工具包（VRP），是指一系列用于虚拟现实开发的技术和工具集合，包括软件、硬件、媒体技术、互联网技术、开发语言和构建系统等，为开发人员提供了一种集成的解决方案，能够帮助开发者开发出具有高度真实感的沉浸式虚拟现实应用。VRP 的构建是基于云端虚拟现实平台的基础设施，可以帮助开发者快速搭建自己的沉浸式虚拟现实项目。VRP 提供了一系列的工具和资源，包括虚拟现实编辑器、场景编辑器、开发语言、编程库和接口等，支持开发者快速迭代开发沉浸式虚拟现实应用。目前，业界已经有数百家知名企业、开发者以及机构开发了基于 VRP 的沉浸式虚拟现实应用。

沉浸式虚拟现实（IVR）

沉浸式虚拟现实（IVR），即虚拟现实仿真环境。在 IVR 中，整个虚拟环境呈现出一个完整的空间，允许用户进行逼真的虚拟互动。IVR 不仅具有 VR 中的身临其境的感官享受，还能够提供人与机器、人与对象、人与自然的互动。IVR 可以突显游戏的虚拟角色、精灵、道具、角色技能、音效、动态光线、音乐、粒子效果、动画效果、文字、图片等，让玩家在其中获得真正的沉浸体验。由于沉浸式虚拟现实技术带来的高速发展，许多公司和组织已经开始布局沉浸式虚拟现实领域，提升玩家的沉浸感和体验。

混合现实（MR）

混合现实（MR），是一种利用虚拟现实技术、现实技术和人工智能技术，将虚拟现实和真实世界融合在一起的三维虚拟现实技术。其目的是让用户将身体、头部、控制器和显示屏等多种感官融为一体。这种技术的应用场景包括医疗、教育、工程制作、虚拟现实训练、虚拟健身、虚拟商品展示、虚拟驾驶、虚拟宠物等。混合现实技术能够融合多种技术手段，形成更加完整、更加真实的三维世界。

图形处理单元（GPU）

图形处理单元（Graphics Processing Unit，GPU），是一种专门用于图形处理的芯片，能够处理复杂的计算任务。现代 GPU 具有超高的计算能力和高速的运算速度，可以快速完成多种复杂的图形处理任务。GPU 工作在 CPU 和 GPU 上时，可将计算任务分布到两个处理器上执行，缩短计算时间。目前，游戏产业主要依赖于 GPU 来进行图形渲染，以提升游戏画面的帧率和显示效果。

增强现实（AR）

增强现实（Augmented Reality，AR），也称为虚拟现实增强、增强现实技术，是指利用数字技术，将现实世界的信息、图像和声音增强到现实世界中，进行虚拟现实的一种技术。AR 技术通过手机或其他终端设备搭载特定软件、硬件、传感器，实现现实世界信息的增强，让用户在现实世界中进行虚拟互动。在 AR 中，用户可以在场景中看到虚拟的内容、物品，甚至可以与虚拟物品进行互动。此外，还可以通过增强现实技术实现虚拟现实游戏的交互。

虚拟现实硬件（VRH）

虚拟现实硬件，也称为虚拟现实硬件开发板，是一种专门用于虚拟现实、增强现实、三维、虚拟现实技术应用的独立的设备。该设备通常由硬件组件、显示屏、传感器、音频输出、网络连接等构成。VRH 可以在 PC 上安装运行，也可以直接插到 VR 头盔上。主要应用于企业级、政府机构、大型活动中心、军队，以及酒店、宾馆等公共场所。VRH 可以满足用户对虚拟现实技术的需求，降低成本，提升效率。

虚拟现实模拟器（VRC）

虚拟现实模拟器（Virtual Reality Simulator，VRC），是由软件生成的虚拟环境，模拟真实环境的虚拟现实系统。VRC 使用计算机算法仿真真实世界，在计算机上呈现出虚拟现实的效果。VRC 可用于测试游戏的虚拟现实性能、进行虚拟现实编码、调试游戏逻辑和解决问题。目前，业界已经有许多 VRC 软件和硬件供用户选择。其中，Google Daydream、Microsoft HoloLens、Realities 概念虚拟现实公司 (Concept VR Co.) 均是一流的 VRC 软件。

4.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解

VR

1.基础知识

（1）虚拟现实概念

虚拟现实（VR）是一种通过数字技术将现实世界中的内容、声音、图像通过计算机生成的假想环境中呈现出来，让用户在这里获得完全的沉浸感的技术。人们对于 VR 的认识主要依靠虚拟现实的眼镜和头戴式设备。虚拟现实技术由以下几个部分组成：

① 虚拟现实显示器：虚拟现实显示器由多层三维构成，可以显示人类无法直接感知的真实世界的虚拟图像。

② 虚拟现实眼镜：虚拟现实眼镜由数字光源、传感器、模拟器以及一套计算机图形算法组成，模拟人类眼睛在看见对象的过程，用于在虚拟现实环境中感知周围的物体、环境和空间。

③ 虚拟现实系统：虚拟现实系统主要由计算机图形技术、激光扫描技术、摄像机系统、麦克风系统、运动捕捉技术等组成，它将真实世界和虚拟世界连接起来，为用户提供真正的沉浸感。

④ 虚拟现实头盔：虚拟现实头盔通常由多个元素组合而成，包括外部护板、中控器、耳机、前视镜等。

（2）VRP 概念

VRP（Virtual Reality Platform），即虚拟现实开发工具包，是指一系列用于虚拟现实开发的技术和工具集合，包括软件、硬件、媒体技术、互联网技术、开发语言和构建系统等，为开发人员提供了一种集成的解决方案，能够帮助开发者开发出具有高度真实感的沉浸式虚拟现实应用。VRP 的构建是基于云端虚拟现实平台的基础设施，可以帮助开发者快速搭建自己的沉浸式虚拟现实项目。VRP 提供了一系列的工具和资源，包括虚拟现实编辑器、场景编辑器、开发语言、编程库和接口等，支持开发者快速迭代开发沉浸式虚拟现实应用。目前，业界已经有数百家知名企业、开发者以及机构开发了基于 VRP 的沉浸式虚拟现实应用。

（3）IVR 概念

沉浸式虚拟现实（IVR），即虚拟现实仿真环境。在 IVR 中，整个虚拟环境呈现出一个完整的空间，允许用户进行逼真的虚拟互动。IVR 不仅具有 VR 中的身临其境的感官享受，还能够提供人与机器、人与对象、人与自然的互动。IVR 可以突显游戏的虚拟角色、精灵、道具、角色技能、音效、动态光线、音乐、粒子效果、动画效果、文字、图片等，让玩家在其中获得真正的沉浸体验。由于沉浸式虚拟现实技术带来的高速发展，许多公司和组织已经开始布局沉浸式虚拟现实领域，提升玩家的沉浸感和体验。

（4）混合现实（MR）概念

混合现实（MR），是一种利用虚拟现实技术、现实技术和人工智能技术，将虚拟现实和真实世界融合在一起的三维虚拟现实技术。其目的是让用户将身体、头部、控制器和显示屏等多种感官融为一体。这种技术的应用场景包括医疗、教育、工程制作、虚拟现实训练、虚拟健身、虚拟商品展示、虚拟驾驶、虚拟宠物等。混合现实技术能够融合多种技术手段，形成更加完整、更加真实的三维世界。

（5）GPU 概念

图形处理单元（Graphics Processing Unit，GPU），是一种专门用于图形处理的芯片，能够处理复杂的计算任务。现代 GPU 具有超高的计算能力和高速的运算速度，可以快速完成多种复杂的图形处理任务。GPU 工作在 CPU 和 GPU 上时，可将计算任务分布到两个处理器上执行，缩短计算时间。目前，游戏产业主要依赖于 GPU 来进行图形渲染，以提升游戏画面的帧率和显示效果。

（6）AR 概念

增强现实（Augmented Reality，AR），也称为虚拟现实增强、增强现实技术，是指利用数字技术，将现实世界的信息、图像和声音增强到现实世界中，进行虚拟现实的一种技术。AR 技术通过手机或其他终端设备搭载特定软件、硬件、传感器，实现现实世界信息的增强，让用户在现实世界中进行虚拟互动。在 AR 中，用户可以在场景中看到虚拟的内容、物品，甚至可以与虚拟物品进行互动。此外，还可以通过增强现实技术实现虚拟现实游戏的交互。

2.定义、原理、技术路线及发展方向

（1）虚拟现实概念

虚拟现实（VR）是指通过数字技术将真实世界的图像或影像呈现出来，让用户在此世界中获得真正的身临其境的沉浸体验。VR 技术通常采用增强现实 (AR) 或电子现实 (VR/ER) 的形式出现，在 VR 中，用户使用的是“虚拟”世界，也就是所谓的“头戴设备”，在这个虚拟空间里，用户可以尽情地交互，体验到真实的感受。目前市场上主要的 VR 框架有 Oculus Rift、HTC Vive、Samsung Gear VR 和 Microsoft HoloLens 等。如下图所示，这些框架都属于异构系统，由硬件组件和软件应用程序两部分组成。硬件组件负责提供硬件上的计算资源，如眼睛和运动捕捉装置；软件应用程序则负责处理用户的输入，控制虚拟环境的运动，并提供给用户相应的虚拟现实体验。

（2）VRP 概念

VRP（Virtual Reality Platform），即虚拟现实开发工具包，是指一系列用于虚拟现实开发的技术和工具集合，包括软件、硬件、媒体技术、互联网技术、开发语言和构建系统等，为开发人员提供了一种集成的解决方案，能够帮助开发者开发出具有高度真实感的沉浸式虚拟现实应用。VRP 的构建是基于云端虚拟现实平台的基础设施，可以帮助开发者快速搭建自己的沉浸式虚拟现实项目。VRP 提供了一系列的工具和资源，包括虚拟现实编辑器、场景编辑器、开发语言、编程库和接口等，支持开发者快速迭代开发沉浸式虚拟现实应用。目前，业界已经有数百家知名企业、开发者以及机构开发了基于 VRP 的沉浸式虚拟现实应用。

（3）IVR 概念

沉浸式虚拟现实（IVR），即虚拟现实仿真环境。在 IVR 中，整个虚拟环境呈现出一个完整的空间，允许用户进行逼真的虚拟互动。IVR 不仅具有 VR 中的身临其境的感官享受，还能够提供人与机器、人与对象、人与自然的互动。IVR 可以突显游戏的虚拟角色、精灵、道具、角色技能、音效、动态光线、音乐、粒子效果、动画效果、文字、图片等，让玩家在其中获得真正的沉浸体验。由于沉浸式虚拟现实技术带来的高速发展，许多公司和组织已经开始布局沉浸式虚拟现实领域，提升玩家的沉浸感和体验。

（4）混合现实（MR）概念

混合现实（MR），是一种利用虚拟现实技术、现实技术和人工智能技术，将虚拟现实和真实世界融合在一起的三维虚拟现实技术。其目的是让用户将身体、头部、控制器和显示屏等多种感官融为一体。这种技术的应用场景包括医疗、教育、工程制作、虚拟现实训练、虚拟健身、虚拟商品展示、虚拟驾驶、虚拟宠物等。混合现实技术能够融合多种技术手段，形成更加完整、更加真实的三维世界。

（5）GPU 概念

图形处理单元（Graphics Processing Unit，GPU），是一种专门用于图形处理的芯片，能够处理复杂的计算任务。现代 GPU 具有超高的计算能力和高速的运算速度，可以快速完成多种复杂的图形处理任务。GPU 工作在 CPU 和 GPU 上时，可将计算任务分布到两个处理器上执行，缩短计算时间。目前，游戏产业主要依赖于 GPU 来进行图形渲染，以提升游戏画面的帧率和显示效果。

（6）AR 概念

增强现实（Augmented Reality，AR），也称为虚拟现实增强、增强现实技术，是指利用数字技术，将现实世界的信息、图像和声音增强到现实世界中，进行虚拟现实的一种技术。AR 技术通过手机或其他终端设备搭载特定软件、硬件、传感器，实现现实世界信息的增强，让用户在现实世界中进行虚拟互动。在 AR 中，用户可以在场景中看到虚拟的内容、物品，甚至可以与虚拟物品进行互动。此外，还可以通过增强现实技术实现虚拟现实游戏的交互。

3.核心技术原理与数学公式

（1）VR

虚拟现实（VR）

虚拟现实（VR），是指通过数字技术将真实世界的图像或影像呈现出来，让用户在此世界中获得真正的身临其境的沉浸体验。VR 技术通常采用增强现实 (AR) 或电子现实 (VR/ER) 的形式出现，在 VR 中，用户使用的是“虚拟”世界，也就是所谓的“头戴设备”，在这个虚拟空间里，用户可以尽情地交互，体验到真实的感受。目前市场上主要的 VR 框架有 Oculus Rift、HTC Vive、Samsung Gear VR 和 Microsoft HoloLens 等。如下图所示，这些框架都属于异构系统，由硬件组件和软件应用程序两部分组成。硬件组件负责提供硬件上的计算资源，如眼睛和运动捕捉装置；软件应用程序则负责处理用户的输入，控制虚拟环境的运动，并提供给用户相应的虚拟现实体验。

VR硬件组件

VR硬件组件主要包括：

1. 眼睛：用于捕捉视觉信息的眼睛，具有真实的眼睛形状、颜色、视野、反射性等特征。
2. 运动捕捉装置：用于捕捉用户的移动位置和姿态。
3. 内存存储设备：用于存储虚拟现实场景、内容和模型数据。
4. 显示屏：用于显示虚拟现实画面。
5. 控制器：提供虚拟现实操作的接口。
6. 计算机：用于运行虚拟现实应用程序。

VR软件组件

VR软件组件主要包括：

1. 操作系统：运行虚拟现实操作系统，提供必要的接口。
2. 驱动程序：连接底层硬件，提供硬件功能接口。
3. 虚拟现实引擎：执行虚拟现实技术的核心算法。
4. 虚拟现实框架：提供程序接口和工具箱，用于开发虚拟现实应用程序。
5. 虚拟现实客户端：通过虚拟现实显示器呈现虚拟现实内容。

VR数据结构

VR数据结构主要包括：

1. 场景（Scene）：由虚拟现实对象、空间和景深组成，是虚拟现实世界的主要构成单位。
2. 对象（Object）：是场景中物体的实际表示，具有位置、朝向、大小、材质等属性。
3. 空间（Space）：是场景中空间的定义区域，通常由一个二维或者三维表面构成。
4. 景深（Depth）：是场景中物体距离相机的距离。

VR技术发展方向

VR技术的发展方向主要包括以下四个方面：

1. 硬件技术：改进 VR 硬件，提升 VR 显示、输入、处理等功能。
2. 软件技术：提升虚拟现实软件的性能，新增功能特性。
3. 服务技术：提供更多便利的服务，如订阅服务、定价策略等。
4. 用户研究：收集数据，了解用户习惯、喜好、心理状态，制定优化策略。

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