在所有沉浸式體驗技術中，虛擬實境（Virtual Realty;VR）是發展最早的一項，同時也是目前技術最成熟的一項。而VR之所以能夠有如此快速的發展，最主要的原因就是3D電腦遊戲的帶動，讓它可以快速的進入消費者市場，同時也帶起其他的沉浸式技術成長。

要構成一個基本的虛擬實境，至少需要有兩大系統，一個是向使用者雙眼提供虛擬內容的頭戴式顯示裝置（Head-mounted Display，HMD），另一個則是感測使用者肢體動作與位置的感測系統。而目前VR主要的技術發展都集中在HMD的開發上。

HMD的雙眼視覺系統

以功能來說，HMD系統最主要的設計挑戰，就在於要有能力提供優異的立體視覺體驗成像品質，而這並不是件容易的事。

HMD的成像模式，是屬於雙眼視覺的顯示方式，也就是英文的「Binocular」，一般日常生活裡最常見的雙眼成像產品就是望遠鏡。而HMD就是在類似的成像基礎上，進一步擴大、深化整體的視覺體驗，要達到這個目標，HMD內部的顯示器與光學鏡片就是關鍵。

圖一 : VR的圖像內容是由兩片獨立的顯示幕所提供，而這兩顯示器的成像品質也就幾乎決定了視覺體驗的優劣。（source：Applied Optics）

從示意圖可以看出，VR的圖像內容是由兩片獨立的顯示幕所提供，而這兩顯示器的成像品質也就幾乎決定了視覺體驗的優劣，再加上是頭戴式的顯示，故與人眼之間的距離非常接近，因此必須要有足夠的解析度和反應速度，才能夠給使用者帶來足夠的沉浸式體驗。

螢幕解析度與更新速度

以Facebook最新推出的Oculus Quest 2為例，該產品的解析度就較前一代提升了50%，達到每眼1832x1920畫素的解析度，而且螢幕更新的頻率也提升至72Hz至90Hz，以進一步提升動畫的流暢感。

值得注意的是，Oculus Quest 2捨棄了VR業者愛用的AMOLED顯示面板（OLED有較鮮艷、明亮的色彩，和輕薄與低功耗的優勢），並轉向使用一種獨特的LCD顯示技術，稱為「快速反應RGB陣列顯示器（Fast-switching RGB-stripe）」。而透過使用這款LCD，Oculus Quest 2在解析度上又有所精進，同時也維持了優異更新速度。

像是HTC的Vive Pro就是採用3.5吋AMOLED的顯示面板，它的單眼解析度為1440 x 1600像素，更新速度則是90Hz。

視野與光學元件

除了解析度與更新速度之外，要達到良好的虛擬實境體驗，建構出符合真實人類「視野」與「視感」的畫面也是關鍵所在，而這就是光學元件發揮效用之處。VR的光學元件是作為把顯示器的畫面投射到人眼的關鍵元件，它主要的功能就是帶來清晰、比例正常且不變形的影像。

圖二 : 正確的把物體的相對位置呈現在適合的觀看位置，VR成像技術的一大挑戰。(source：Computer Science)

由於人眼是會轉動，且每個人的對焦視點又有所差異，因此要打造出一個完全無縫且體驗順暢的VR光學方案其實非常的困難。一般來說，目前大多數的產品都只會標示出它們的顯示視野角度，例如110度。確切的使用體驗還是要戴上才知道。

有良好的顯示和光學系統，當然還要有良好的VR內容來搭配。就目前的技術來說，設計出優異的VR內容並不是問題，因為在處理器與繪圖引擎技術的持續突破下，要順暢的運行解析度達8K的VR內容並不是夢想，而且可說是已經成真。

呈現360度環景的3D內容

VR內容真正的挑戰是在於全景的設計，雖然說拍攝360度全景的圖片和影像以不是問題，但如何與顯示和感測系統搭配，建構出真正的360度環景的視覺感受，就是一門大學問。再者，人類本質是3D的生物，是生活在立體的世界裡，而一般VR所搭載的顯示器終究是屬於平面的2D圖像，要轉成具備遠近和深度的立體3D圖像，VR影像內容的顯示方式就要另行設計。

目前主流的VR 3D成像技術是採用投射的方式，最常用的就是所謂的「等距柱狀投影法（Equirectangular Projection）」，它是以畫面某一點為中心，再建構出周邊物件之間的距離，等同是用座標來推論相關位置，進而快速的運算出3D的影像。然而這個方法存在有解析度不一致的缺點（以同一圖片進行不同遠近的縮放），因此在視覺體驗上也不盡完美。

然而Google在幾年前提出了一種稱為「等角方塊映射投影法（Equi-angular Cubemap，EAC）」的新技術，它透過先把球狀影片轉為正方體，之後再把正方體分成由6個正方體組成的平面，並於投影過程中，針對每個區段的角度畫面進行調教，因此大幅改善了像素密布不均勻的問題，直接提升了3D全景的視覺感受。

但就如同3D電影的拍攝一樣，最佳的VR影像內容都應該是採原生製造，也就是從一開始就使用3D全景的製作，才能帶來真正的沉浸式體驗。

感測動作與位置的控制介面

有擬真的影像外，如何與之互動也是沉浸式體驗的關鍵所在，而這就涉及了使用者的動作感測與定位問題。一般而言，基礎的VR裝置大概只需要感測使用者的頭部動作，也就是頭的轉向與視角的移動，再者就是手部的操作與輸入指令的控制。

在頭部的轉向與視角的感測上，不外乎就是搭載陀螺儀，或者稱作角速度感測器，來做為角度與轉向的感測。但為了完整且精確的感測頭部的轉動，因此VR的頭盔常會搭配其他的感測器，來達成更精密的偵測，包含加速度感測與電子羅盤等。

圖三 : 一個VR系統的關鍵組成。

在使用者位置定位與感測手部動作部分，則需要另分成兩部分來進行。在使用者定位方面，則需要在虛擬實境空間內，設置感測的鏡頭，以擷取使用者的位置和動作。通常這個感測鏡頭都會使用雙鏡頭的設計，以取得相對立體的位置，更講究的虛擬實境空間則會使用多部感測鏡頭的設置，以更精確的偵測使用的行動。

而在手部動作的感測方面，為了提升互動性與更精準的指令輸入反應，通常VR的使用者都需要配戴或手持控制器，用來對虛擬實境裡的物件進行指令的輸入，例如「執行」和「取消」，或者更複雜的「拿取」和「扭轉」的動作。而配合感測鏡頭的設置，通常手部的控制器也會有用以感測動作的光訊號，進一步協助整體虛擬環境的感測精度。

娛樂為主 教育訓練為輔

至於VR的應用，娛樂功能仍會是其主要的發展領域，包含遊戲和電影等，這些應用本身就注重在沉浸於情節之中，因此會是VR發展的主要驅力。而在5G技術成熟之後，高解析的VR串流內容服務也會陸續進入市場中，其主要的應用就會是演唱會或者體育賽事的VR轉播，帶來有別於現今線上轉播的觀看體驗。

除了娛樂應用外，教育訓練導入VR技術也將會更加常見，尤其是特殊場域和機具的操演和操作，像是飛機與大型運輸工具的駕駛，消防和軍事的演練，這些設備與場景都具有高危險性，並不適合初學者直接進行實機和實場的訓練，因此使用VR的設備將有助於降低危險性，同時也有助於提升後續訓練的成熟度。

至於商業用的虛擬導覽和虛擬採購，就目前的發展來看，其實並不是這麼的樂觀，主要是這類應用的目標是資訊的傳遞，而非體驗本身，因此若能以簡易的方式就完成資訊的傳達，採用更複雜的VR系統就顯得不合理，因此發展將十分有限。

結語

動畫「刀劍神域」和電影「一級玩家」裡的情境，彷彿將是VR裝置的終極型態，一但戴上，就進入了第二人生，開啟了完全不一樣的生活面貌，在虛擬的世界裡自在優游，儘管你需要許多額外的設備和裝置，以及好像多出來的「肉體」。

但若回到使用與體驗的方便性來說，虛擬實境或許會朝向取消頭盔的方向前進，最終的完成式，應該要如同蜘蛛人電影裡所呈現的方式，就是完全以全息投影的方式出現，而且還能宛如真人出現般的互動，但要走到這一步，還有非常多項目要克服。在此之前，能夠在頭戴式系統裡充分實現沉浸式體驗就已是巨大的成功了。