一．虛擬現實的發展歷程

虛擬現實是一種存在于計算機和互聯網環境中人工制造的虛擬環境，人們能夠以接近自然的方式與這個虛擬環境進行交互，從而產生身臨其境的沉浸感。由于虛擬現實有著傳統人機交互無法比擬的真實感，使人們能夠如同感知真實世界一般接觸虛擬空間，為人類文化的傳承和發展創造了新的可能，對教育培訓、文化旅游、社交活動、電子商務、生物醫學等領域都有深遠的意義。
光場虛擬現實技術在傳統虛擬現實技術的基礎上，結合計算機圖形學、計算機視覺、計算機攝影學中涌現的最新成果，不僅能讓人無法區分虛擬和現實，還能實現人與虛擬環境的自然互動，進一步增強用戶的真實體驗。

“小孔成像”的發現

自從墨子發現了“小孔成像”現象以來，人們逐漸掌握了用光學成像技術觀察和記錄世界的能力。

照相機的發明

1826年，法國人約瑟夫·尼塞福爾·尼埃普斯發明了世界上第一臺照相機，并在巴黎拍攝了現存最早的一張照片。

各式光學儀器的出現

此后，各式各樣的光學儀器如雨后春筍般紛紛出現。其中，雙目立體鏡的出現標志著虛擬現實雛形的誕生。人們能夠通過雙目立體鏡觀看三維圖像，相比平面照片而言真實感更為強烈，

現代虛擬現實技術的起源

真正意義上的現代虛擬現實技術起源于1965年，被譽為“計算機圖形學之父”的美國人伊萬·薩瑟蘭發明了一臺名為“達摩克利斯之劍”的機器，能夠向雙眼顯示不同視角的圖像，實現立體顯示，同時對頭部能夠進行位置跟蹤，實現人與虛擬環境的簡單互動。

互動多媒體系統

虛擬現實走進大眾視野

進入21世紀以來，伴隨著可穿戴設備等移動終端的爆發式增長，個人設備的計算能力越來越強大，虛擬現實頭戴式顯示設備得以迅速興起，虛擬現實從科學家的實驗室一躍進入萬千大眾的視野。經過近兩年的快速發展，虛擬現實技術相關的產業生態鏈逐步形成，Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR等硬件產品相繼走入市場，各種應用也隨之產生并推廣。

二．虛擬現實的三大難題

虛擬現實之所以矚目，在于其能創造出一種全新的虛擬場景，使人們能夠產生身臨其境的體驗。這就要求虛擬的場景必須是立體的全景式圖像或視頻，能夠適應人類頭部的運動，同時提供深度信息和聚焦變化，使大腦能夠判別近、遠景。

虛擬現實所需要滿足的生理要求

制作優秀的虛擬現實內容并不簡單，必須滿足人類在自然狀態下觀看外部世界的條件。人的眼睛是獲取外界信息最主要的渠道，經過長時間的生理進化和日常訓練，形成了感知外部世界的一種本能，且非常挑剔。其中很重要的一點就是感知深度信息，這包括雙目視差、運動視差、遮擋和聚散等幾種方式。
當人在自然狀態下觀察目標時，眼睛在不斷地變焦，并且通過前庭眼反射消除畫面切換時的抖動和模糊。這是因為在人眼的周圍有無數的光線，眼睛通過改變焦距，采集來自不同方向和位置的光線，聚焦在不同的平面。加上頭部的運動，人可以在很大的范圍內聚焦在所關心的物體上。
在佩戴頭盔的情況下，人眼實際是聚焦在頭盔的屏幕上，而虛擬現實技術則試圖“欺騙”挑剔的人眼和大腦，仿佛雙眼是聚焦在不同的距離。一旦顯示的內容稍有差錯或延遲，人眼就會敏感地察覺到，并造成相應的神經系統功能紊亂，引發諸如頭痛、眩暈、疲勞等不適癥狀。

虛擬現實的三大難題

傳統的虛擬現實技術目前還遠遠不能達到這些要求。人工合成的360°全景圖像或視頻無法產生立體視覺效果，即便采用立體相機拍攝三維空間信息，取得雙目立體視差，也仍然缺乏運動視差，不能形成進入走出的沉浸感。還需要加入聚焦變化，即人眼對焦在不同深度時，由于雙眼的聚散程度不同，對焦所在的平面是清晰的，而其他平面則是模糊的。真實世界的景物是一個高維度的復雜數據，只有完全記錄其中的所有信息，并且進行不失真的重現，虛擬環境才能淋漓盡致地表現出來。
因此，虛擬現實要取得成功，就必須解決立體視覺、運動視覺和動態對焦這三大問題。

三．光場虛擬現實的最新成果

為了創造出人眼難以分辨的虛擬現實，人們需要運用光場技術，并結合計算機視覺的方法，來實現這一目標。而光場技術是計算成像/攝影領域發展起來的最新技術。
光場的概念早在1936年就被提出，是指光通過空間中某一點時在給定方向上的輻亮度。如圖1所示，人眼在觀察世界時無時無刻不在收集周圍的光場信息。我們可以用全光函數的概念來描述光場（圖2），其包括3D的空間變量和2D的方向變量，即全光函數是一個5D函數。在自由空間傳播時，光的輻亮度沿光線傳播方向保持不變，用光線在兩個任意平面上的交點坐標表示，可以將光場簡化成一個4D函數。
光場記錄了光線的所有空間信息和方向信息，因此可以很容易地通過光場重建不同對焦平面的圖像，或渲染不同視角下的圖像，甚至合成一個不存在的虛擬圖像。
在虛擬現實中，相比傳統的雙目視覺法，通過光場構建的立體圖像效果更加真切。這是因為通過雙目視覺合成的立體圖像本質上還是平面的，而通過光場合成的立體圖像則真正是立體的。
光場技術的發展給虛擬現實領域帶來了巨大的變革，它幾乎滿足了人們對于虛擬現實的所有要求：
立體視差可以帶來最真實的感受；
運動視差讓進入走出更加自然；
重對焦使人們更加愜意地體驗而不至于引起任何身體的不適。
但是光場虛擬現實任需要解決三個方面的關鍵技術問題：光場的拍攝；光場的渲染；光場的顯示。
光場的拍攝

光場虛擬現實技術的核心目標就是記錄光場，并且把光場無損地再現給人眼。光場的拍攝主要通過兩種方式實現：一是采用相機陣列拍攝，二是采用光場相機拍攝。
相機陣列拍攝：采用相機陣列的方式，可以捕獲來自不同視角的高分辨率圖像，每一幅圖像相當于4D光場的一個2D切片，如果采集足夠多的不同2D切片，就可以重建完整的4D光場。上海科技大學和疊境數字科技（上海）有限公司合作搭建了一種向內環視的光場拍攝系統，能夠對小型文物進行拍攝和建模，可用于精細展示（圖4）。該系統采用80個單反相機同步觸發，拍攝處于中心區域的目標，再利用光場重建技術對目標進行處理和建模，得到被拍攝物的3D模型。
光場相機拍攝：另一種獲得光場信息的方法是采用基于微透鏡陣列的光場相機。光場相機是一種全新的相機，可以實現先拍照后對焦的全新成像模式。單鏡頭的光場相機通過微透鏡陣列來采樣角度信息。每個微透鏡覆蓋一定數量的像素，對應來自主透鏡一個子孔徑的光錐，經過每個微透鏡成像在探測器的不同位置，這種位置的變化就記錄了光線的方向以此類推，將主透鏡的孔徑劃分為若干采樣單元，每個微透鏡本身便記錄了光場的位置信息，從而實現四維光場的記錄。
光場相機能夠通過對光線的重新排布實現對任意平面的重對焦。光場相機記錄了光場的位置信息和角度信息，采用兩平面光場表示法，根據幾何關系，計算并渲染出一個虛擬的重對焦平面上的圖像（圖6）。計算時，指定重對焦平面上的一點，可以找到在透鏡平面和探測器平面的坐標位置，從光場中取出這些對應的光線進行積分，就能得到在該平面上的圖像。這個虛擬的重對焦平面可以任意指定，因此便實現了一定景深范圍內任意平面的重對焦功能。事實上，這些光場拍攝系統也能應用在博物館行業。例如，谷歌公司的360°全景攝像裝置Google Jump采用16個GoPro相機，形成了一個向外觀看的環形相機陣列，能夠實現3D全景高清視頻的拍攝，可以展示整個展廳甚至整個博物館的全貌，提升虛擬博物館的體驗。

互動多媒體系統

首先，通過相機陣列或光場相機得到同一物體或場景在不同視角下的一系列圖像，再通過多視角幾何關系估計出場景中的深度，獲得粗略的幾何信息。同時，光場相機通過重新排布光線，實現先拍照后對焦，在一系列的焦平面位置進行圖像渲染，獲得圖像中的深度信息。
其次，在光學成像系統中，焦平面附近的發光強度分布具有對稱性。利用這個性質，通過檢測不同對焦圖像附近的光強分布，計算出不同物點的深度信息。比較而言，這種方法在圖像噪聲 和采樣欠缺的情況下具有更強的抗變換性。

另外，可以利用場景中的遮擋性進行深度估計。在無遮擋的情況下，場景中的物體顏色分布是均勻的，而有遮擋的部分則會出現顏色混合。在光場相機中，從不同視角下渲染出的圖像具有不同的統計特性，根據表面統計數據檢測遮擋情況，作為評判一致性的指標，可以計算出深度信息。

所有這些檢測圖像中幾何信息的方法，綜合起來就可以幫助我們獲得完整的幾何信息來輔助光場渲染，得到逼真的圖像。采用這種方法對博物館進行建模和處理，所產生的渲染圖像可以方便地顯示在虛擬現實頭盔的屏幕上，為觀眾呈現藏品的全部光場信息，從各個角度自然地觀看藏品的虛擬模型，再配合手柄等操作設備，就能產生進入走出的運動視覺，提高互動感受。

光場的顯示

由于光線可逆，光場顯示過程與光場成像過程互為對偶關系，因此將捕獲的光場信息通過光場顯示器件表現出來后，人眼即可看到“真實”的虛擬世界。

微透鏡陣列和光場渲染技術：美國英偉達公司最近發明了一種近眼光場頭盔。該頭盔采用微透鏡陣列和光場渲染技術，使人們能夠自由調節對焦，觀察到正確的聚散程度、雙目視差和深度信息。其基本原理是在有機發光二極管顯示器上覆蓋一層微透鏡陣列，在人眼的調節距離內快速合成虛擬的3D景物。由于此類顯示設備的尺寸小、佩戴輕便，為下一代光場顯示和虛擬現實設備的開發提供了新的思路。盡管這種光場頭盔的分辨率較低，還不足以實現商業化用途，但隨著硬件器材和計算機算法的不斷完善，未來將有巨大的發展潛力。

壓縮光場顯示：另一種光場顯示技術稱為壓縮光場顯示，也是光場顯示方向頗具潛力的解決方案之一。例如，麻省理工學院開發的多層壓縮光場顯示裝置采用若干層掩膜和透明間隔實現光場顯示，通過張量分解的方法優化每層掩膜板的透過率，將二維圖像投射到三維空間。