不少人誤以為VR就一定是三維立體的，這其實大錯特錯。許多VR游戲的場景通過人工建模制成，確實是三維的，而且玩家還能在其中“自由”移動，但是那些通過VR攝像機實景拍攝的VR全景視頻，本質上卻依然是平面的，觀眾當然無法進入到這種二維世界里。下面我們就來聊聊二維的VR視頻如何轉換成三維場景，以及觀眾如何在其中“自由”移動、游覽。
為何不能在VR全景里行走
當我們戴上眼鏡進入VR全景視頻（本文指實景拍攝的VR視頻）構建的虛擬空間時，就恍如置身于立體的世界，可以上下左右自由環顧四周的風景。但是很快我們就會發現，在這個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全景視頻的本質決定的。在觀看普通電影的時候，從來沒人奢望過能走進電影的世界里，因為我們都知道電影只是一塊幕布，是一個二維的平面，當然走不進去。
其實VR全景視頻本質上也是二維平面的“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度環幕電影時的感覺相似（圖1）。所以VR全景視頻產生的是360度的沉浸感，卻并非立體的影像。
圖1 環幕電影就是一個外化的VR全景視頻
VR攝影有專門的攝像機，一般由6臺獨立的相機組合而成（最少的由2臺相機組合，多的還可以是9臺、12臺等等），分別對著上下左右前后6個方向同時取景拍攝。每臺相機拍攝到的實際上就是一個普通的視頻，通過后期軟件將所有相機的視頻“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，本質上它們還是二維平面的，所以觀眾當然無法進入其中行走、瀏覽了。
圖2 VR攝像機從場景的不同角度同時拍攝
圖3 VR將不同角度的二維視頻“縫合”成一個整體
6DoF和空間自由度
在探索VR視頻如何進行三維重建之前，我們先來了解一個關鍵概念——自由度。自由度DoF是Degree of Freedom的英文縮寫，統計學中表示變量的個數，而在物理力學系統中則表示的是獨立坐標的個數。一個立體空間總共有X、Y、Z三條直角坐標軸，這便是3個自由度。如果空間中的某個物體可以不受任何約束的運動，那么它沿著每條軸至少可以做平移和旋轉兩種運動，2乘以3等于6，所以這個物體在空間總共具備6個獨立的運動方式，這便是6個自由度了（6DoF），下面的圖片形象地說明了這一點（圖4）。
圖4 三條直角坐標軸和兩種運動方式構建6DoF（網上動圖示例：http://t.cn/E7cfa1G）
用這一概念對前文所述的內容重新做個總結，就是普通電影只有1DoF，無論我們前后左右的移動位置，所看到的電影畫面內容是固定不變的。而VR全景視頻則有3DoF，當我們的眼睛沿著X和Y兩條軸旋轉運動時（也就是上下左右看），可以看到不同的畫面內容。
360度光場相機實現6DoF空間
普通的VR全景視頻中，觀賞者被賦予3DoF的旋轉運動能力，所以在固定的一點可以看到不同方向的場景。不過普通的VR全景視頻不具備3DoF的平移運動能力，所以無論我們如何走動，看到的畫面都沒有任何改變，這也就是我們在VR空間中沒有移動感的主要原因。
國外廠商推出一種360度光場相機（圖5），可以制作帶有深度信息的6Dof視頻。
圖5 光場相機產品圖
它的原理類似于地理上的三角測量法，因為光場相機是球面的，空間中的任意一點可以被多個相機觀測到，這便產生了許多重合區域，從而最大化記錄場景內容，通過運算獲取被攝物體的深度信息（圖6）。當我們觀看光場視頻時，隨著走動，這些深度信息轉化為相應圖像顯示出來，便給了我們真實的移動感。
圖6 光場相機的拍攝原理
不過與VR游戲中通過軟件實現的3D建模不同，光場相機要受物理鏡頭的制約，它記錄下的三維信息非常有限，當觀眾的移動超出一定范圍，因為沒有了更多新信息，便會導致畫面不再變化，也就意味著觀眾的行動“受阻”了，遠沒有VR游戲中的“自由”。
定位追蹤與6DoF三維重建
在最近的Oculus Connect5大會上，Oculus發布了首款能夠完全獨立運作6DoF的VR一體機Santa Quest，它可以在數千平米的范圍內進行追蹤，具備三維空間建模能力，將VR與現實世界融為一體。
Santa Quest使用的Oculus Insight，是他們對負責追蹤和定位等各技術的統稱，通過放置在Santa Quest頭盔外側的四個超廣角鏡頭，配合特殊的算法實時追蹤用戶的位置，在我們于VR空間進行6DoF運動的時候，實時計算并顯示相應的情景，這樣我們在這個虛擬世界中就獲得了真實的移動感，使得我們能在這個VR世界里任意走動，瀏覽不同的風景（圖7）。
圖7 Santa Quest構建的VR空間可以進行6DoF運動
Santa Quest的重要革新，不只是實現了6DoF，而在于它對場景的實時三維重建，它能識別出現實場景中的各種物體的形狀甚至是材質，然后通過創建三維點云地圖，讓我們在VR的環境中安全的走動，防止現實中的碰撞（圖8）。
圖8 Santa Quest進行三維重建
VR技術的熱潮已經過去，現在是它的平穩發展時期，未來它不只是會給我們帶來驚喜，更多將是有助于生活的實際應用，值得我們隨時的關注。
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