State of the Art of Virtual Reality Technology
Christoph Anthes1,2 Rubeacute;n Jesuacute;s Garciacute;a-Hernaacute;ndez1 Markus Wiedemann 1 Dieter Kranzlmuuml;ller2,1
- Leibniz Supercomputing Centre, Bavarian Academy of Sciences Boltzmannstr. 1
85748 Garching bei Muuml;nchen, Germany
- Ludwig-Maximilians-Universitauml;t Oettingenstr. 67
80538 Muuml;nchen, Germany
49 - 89 / 35831 - {8744, 7826, 7834, 8703}
{anthes, garcia, wiedemann, kranzlmueller}@lrz.de
Abstract—In the past three years, the so-called second wave of Virtual Reality (VR) has brought us a vast amount of new dis-plays and input devices. Not only new hardware has entered the consumer market providing affordable pricing models but also completely new technologies are being designed and developed. Additionally new concepts for handling existing problems on the hardware and software side of the VR technology are constantly being introduced.
- INTRODUCTION
When you read this publication, it will most likely be out of date. Current development in Virtual Reality (VR) tech-nology is happening at unprecedented speed. Systems and applications in the domain are presented at a daily or weekly basis.
This software and hardware development is mainly lead by enthusiasts interested in the domain of VR opposed to the established scientific community, which already partially makes use of the newly available technology. Besides Head-Mounted Displays (HMDs), either cable-based or mobile, other devices like haptics devices, controllers, vests, omnidirectional tread-mills, tracking technologies, as well as optical scanners for gesture-based interaction are gaining importance in the field of commodity VR. Most of these technologies are already precise and robust enough to be used for professional operation and scientific experiments.
The topics discussed are the common issues with the new tech-nologies including the approaches to solve them as for example motion-to-photon latency, barrel distortion, and low-persistence displays. Additionally an in-depth analysis of the available solutions expected to hit the market is provided. A taxonomy categorising the current developments with the chosen imple-mentation approaches will be given. The paper analyses the state of technological advancements in the field and provides an extensive overview on the current development considering the upcoming devices and the advancements from the software side.
TABLE OF CONTENTS
1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. RELATED WORK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
3. A TAXONOMY OF CURRENT VR HARDWARE . . . . . . . . . 2
4. HARDWARE DEVELOPMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
5. SOFTWARE DEVELOPMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
6. TECHNOLOGY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
7. CONCLUSIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
ACKNOWLEDGMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..13
BIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
978-1-4673-7676-1/16/$31.00 copy;2016 IEEE
Fifty years have passed since Sutherland presented his vision of the Ultimate Display [1] mimicking the real world in all available senses. A vast amount of individual technolo-gies supporting this sensory stimulation have emerged but it wasnrsquo;t until 1989 when Jaron Lanier coined the term Virtual Reality [2] trying to aggregate the different concepts. This started a hype but also brought together the scientific community developing technology and algorithms to fulfil Sutherlands Vision. Although the initial euphoria collapsed after a few years, researchers saw the potential and carried on. Constant achievements have been published in conferences like the IEEE VR or ACM VRST and journals like Presence. Over the years, VR has evolved to an extremely useful technology for research and industry.
In 2012, nearly a quarter century after the first wave of VR a Kickstarter project named the Oculus Rift, with the pur-pose of providing an affordable high-quality Head-Mounted Display (HMD) to the public, was looking for funding and achieved the goal of $250 000 in less than 24 hours. This was the initial spark starting the so-called second wave of VR
— the development we are currently facing. A vast amount of products are emerging and will be flooding the market trying to implement aspects of the vision of the Ultimate Display, but this time prototyping is much more affordable and research of the past 25 years is analysed in order to create efficient solutions.
In this publication, we give an overview of the current ad-vancements in the field, focusing on the consumer hardware by categorising it and describing the technical approaches as well as the issues that are currently being dealt with.
These developments will ultimately affect the scientific com-munity in a more direct way than the Kinect or the Wiimote affected the Human Computer Interaction (HCI) community. Those devices are great for experimental prototypes but we assume that the development in commodity VR will be as beneficial for the scientific community in an immediate way as is the development of graphics cards driven by the gaming industry. Recently nVidia and AMD have included features in their graphics boards supporting current and upcoming HMDs. Final technologies used in research will rapidly improve as displays and tracking hardware become mass produced and thus are available for low prices with a more
1
虚拟现实技术的现状
摘要—在过去的三年中，所谓的第二波虚拟现实技术为我们带来了大量的新显示器、输入设备。不仅新硬件已经进入消费者市场提供可负担得起的定价模式，并且正在设计和开发全新的技术。此外，新概念处理现有的问题在VR技术的硬件和软件方面都是连续不断的被介绍。
这个软件和硬件的开发主要是由爱好者对VR领域有兴趣对立于已经建立的科学社区，已经部分利用了新技术。除了头戴式显示器（HMD），电缆或基于移动，其他设备如触觉装置、控制器、背心、全向跑步机、跟踪技术，以及基于手势的交互光学扫描仪在VR领域变成了越来越重要的商品。这些技术大多已经精确和强大到足以被用于专业的操作和科学实验。
讨论的主题是与新技术，包括解决例如光子延迟运动、桶形失真，此外，还深入分析了市场预期的解决方案。分类系统的发展现状与所选择的实施方法将给予。本文在分析领域技术进步状态，提供了一个广泛的概述并且考虑到设备和软件方面的进步发展现状。
文本目录
1.介绍.........................................................................................1
2.相关的工作.............................................................................2
3.当今虚拟现实硬件的分类.....................................................3
4.硬件开发 ...............................................................................5
5.软件开发 ..............................................................................12
6.技术hellip;hellip;.hellip;hellip;.......................................................................14
7.总结hellip;hellip;hellip;hellip;........................................................................19
致谢......................................................................................... 19
参考文献...................................................................................20
作者简介 .................................................................................22
1介绍
当你阅读这本出版物时，它很可能已经过时了。当前虚拟现实（VR）技术的发展正以前所未有的速度进行着。系统和应用领域在每天或每周的基础上会被再次提出。
五十年过去了，自从Sutherland提出他终极显示的视觉[ 1 ]模仿现实世界中所有可用的感官。大量支持这种感官刺激的个人技术已经出现，但直到1989岁时，Jaron Lanier创造了“AR[ 2 ]试图聚集不同的概念。这场炒作也一起带来的科学社区开发技术和算法来实现Sutherland公司想象。虽然最初的兴奋在几年后崩溃了，但是研究人员看到了潜力，恒定的成果已发表在像IEEE VR 或者 ACM VRS的协会和杂志比如Presence。多年来，虚拟现实已经发展成为一种非常有用的研究和工业技术。
2012，近四分之一世纪后，虚拟现实之后的第一波浪潮Kickstarter项目被命名为Oculus Rift，以提供负担得起的高品质的头戴式显示器（HMD），其目的是向公众寻找资金，从而实现在不到24小时的250000美元的目标。这是启动所谓的第二波虚拟现实的最初火花——我们目前所面临的发展。大量的产品还沉浸着且马上将要浮出市场来最终实施在显示的视觉方面，但这一次成型更加实惠，在过去25年的研究分析是为了创造有效的解决方法。
在这篇文章中，我们给出了在领域当前发展的概述，注重消费者的硬件进行分类和描述的技术方法，以及目前正在处理的问题。
这些事态的发展最终将比Kinect或Wiimote影响人机交互（HCI）社区以更直接的方式产生影响。这些设备的实验原型是伟大的但我们假定商品的虚拟现实技术的发展将会以一个迅速的方式对科学社区有益，即是显卡的游戏产业带动发展。最近，Nvidia和AMD已经拥有的功能在他们的绘图板中支持当前和未来的HMDs。最终当显示和跟踪硬件成为批量生产运用于搜索的技术将会迅速改变，因此，可用于低价格与更强大的并符合人体工程学的设计。
由于本文的重点，我们将明确地避免对非消费设备如空间身临其境的设施如CAVE-like2装置[ 3 ]或专业的运动捕捉系统的发展现状进行探讨。
论文的组织如下，下一部分将在虚拟现实、常见的分类，书籍和其他相关资源的个人领域艺术调查中给出概述。第3节提出了分类说明和分类的输入和输出设备。其次是部分描述的硬件和软件在虚拟现实领域以至于到航空航天的应用领域的发展。随后讨论了技术问题和当前的热点问题，最后得出结论。
两个附录显示了输入和输出设备的产品细节，其中还包括对公司或项目网站的引用。第三附录概述了媒体资源，提供了有关发展的信息。
2相关工作
如果一种新的方法和现有的研究之间的密切关系是可以被鉴别，相关工作会变得稀缺并将分布在纸。
最新的描述
一些最先进的报告或调查试图覆盖已经存在整个虚拟现实领域。最近更多的报告是由Muhanna [ 4 ]所提供他还引入了分类涵盖不同类型的设置。他专注于学术界和工业领域而不是最近的事态发展在VR和重点的洞穴系统。周和邓[5]对研究领域的发展提供了一个历史性的概述，但主要集中在他们最先进的图像处理技术的调查来创建虚拟环境。
分类法
典型的艺术报告可用的状态都集中在的个别方面或在特定的应用领域。他们经常提供分类说明和分类的不同方法。增强现实（AR）菜单，在整个混合现实环境（MR）域[ 6 ]已被Dachselt和Huuml;bner[ 7 ]所探索他们也提供了一个详细的分类探讨。
网络虚拟环境（NVEs）的分类已由Macedonia 和 Zyda[ 8 ]所给出, 通过看通信和分布式拓扑结构。Mania[ 10 ] 和 Chalmers[ 11]已经提供了通讯的分类和平台[9]。
Bowman为相互作用和]导航技术提供了多种分类法。我的早期作品[ 12 ]识别虚拟环境中的关键交互和导航。
优秀并且普遍的概述已经由Gabbard[13]所给出，他为用户提供评价包括应用程序设计的最佳实践指导方针。虚拟环境的评价准则（VES）也已由Livatino和Koeffel[ 14 ]所确定。
Welch和 Foxlin [15]在跟踪技术上描述和比较了它们的优点和缺点而给出了一个概述。
书
另一方面，大量的书籍对领域和技术给出综述已发表了。
Burdea和Coiffet[ 16 ]专注于虚拟现实技术硬件方面。Hainich和Bimber[ 17 ]则描述显示技术。
在NVEs的地区对算法的实现很好的概述和细节由Diehl[18]所给出，他清楚的侧重于Web技术，也对NVEs提供了全面的概述。Singhal和Zyda [19] 描述NVEs的基础上也解决网络语言有关通信的拓扑结构和数据分布的网络通信的具体问题。Steed 和Oliveira [20]重提NVEs这一话题同时专注于学生观众提供的实例。
最近的一个广义的纲要是由Hale 和Stanney [ 21 ]所提供，也在不同的应用领域提供细节和解决方案。
目前描述VR发展的文献很少，而且可靠的资源很少。对Oculus Rift的第一版本的细节都由Davies [ 22 ]一书中所描述，由Jerald所写关于 [ 23 ] VR的书试图专注于技术和人机交互。Toni Parisi最近编写了一个VR应用程序开发实践指南[24]。
其他资源
硬件生产商在不同渠道向社区提供信息。此外，许多博客、脸谱网集团和播客也出现了。社区中最相关的通信平台似乎是Reddit。
在协会，会议和展览社区方面平行于科学的社区已经出现，VR Meetups已经在很多城市里面出现了，Meetup网站网页显示目前超过250定期聚会的地点拥有超过55000名会员遍布全球。像VR这样的网页是流式虚拟现实播客的24/7。
3.当今虚拟现实硬件的分类.
在对当前的VR硬件开发进行分类时，所提出的设备通常只存在于原型状态，其中大多数还没有商用，甚至可能永远不会出现。尽管如此，它仍然可能是硬件和识别趋势分类。关于实际设备的更多细节将在第4节中提供。
我们遵循传统方法将VR硬件分为输入和输出两大类的设备。在大多数情况下，我们希望最终在混合设备，例如头盔，当然也提供了输入数据及其附加跟踪功能。因此，我们选择了一个众所周知的树可视化，如图1所示。它是由图标说明显示和输入组件来反映连接设备的混合性。一些值得商榷的设备应该在一个或另一个分支是理所当然的。
输出设备
当前显示技术的主要类别是视觉显示。就消费者VR都HMDs而言，它们是有线或移动的条款。其他类别包括触觉和多感官反馈也包括在分类学中。
在移动通信系统中移动HMD中，我们确定了三种：无线的，不使用另外的电脑情况下可以使用，应用领域在于娱乐显示360◦电影或呈现静止的景观或者基于视线定向导航的互动演练[ 25 ]。
第一移动子类别的显示我们称之为“简易套管”；这些表现基本上是一个智能手机具有附加的透镜架并安装在一个合理的距离。他们完全依赖于使用的智能手机技术。
第二移动子类包括符合人体工程学设计的智能手机的情况下，包含有着明显更好的光学原理和更舒适的外观。
一个额外的子分类是移动HMD。不同的GameFace原型是独立的系统，不需要额外的PC或智能手机。提出的方法包括计算系统内的GameFace耳机。这似乎是一个很有
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