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2018-08-20 21:25 来源:有问必答

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昂首沐春风 阔步启征程

2018-08-20 06:03:36 来源: 中关村在线(北京)
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(原标题:VR想普及?不解决这个问题永远没戏!)

VR从开始进入人们视线中到现在已经有数年的时间了,然而直至今日,VR的发展仍然非常缓慢,甚至说依然滞留在非常初级的状态。在我们印象中,尤其是现在这个科技产品爆发式发展的年代,没有什么产品的发展速度如此的慢。那么是什么原因造成了VR发展如此之慢?

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VR产品琳琅满目 却都得不到广泛应用

VR现在面临的最大问题并不是其较高的价格、比较严苛的硬件要求和同样比较严苛的使用环境,而是VR给人体带来的眩晕感。这种眩晕感并不是个别用户的特殊案例,而是人类本身对VR技术所带来的虚拟现实的正常生理反应。在解决这项问题之前,VR无法得到快速发展。

那么,人类为什么会对VR产生眩晕感?其实原理非常简单,无非就是因为VR带来的画面无法真正欺骗我们的大脑,从而引发的不适感,而VR引发我们不适的主要原因可以分为四大类:

1.前庭系统

人类在正常情况下通过视觉、前庭系统和肌肉共同协作,通过神经传达信息,告诉大脑我们的身体所处的状态和位置。但在VR设备所带来的虚拟世界中,人类能够感知到的只有视觉移动,前庭系统和肌肉因为身体实际并没有移动,会给大脑传达与视觉系统相悖的信息,而人类的大脑无法处理相冲突的两种信息,从而引发眩晕和恶心的生理反应。

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人类依靠视觉、前庭系统和肌肉共同判定身体状态

我们操纵VR设备在视觉中行走,视觉告诉我们我们的身体正在移动,而感知身体动态的前庭系统则明确的感知到身体并没有移动,这时候我们的身体就会产生恶心和晕眩的感觉,并且这种感觉会持续相当长的一段时间。

2.延迟问题

VR设备在感知人体动作方面存在一定的延迟,我们在VR设备中看到的画面实际与身体动作之间不同步,可能这一差距非常小,但依然会让我们的大脑做出判定失误的反应,进而引发人体不适。

VR想普及?不解决这个问题永远没戏!人类会因为VR视觉和动作不统一而产生晕眩感

举个例子,比如我们在不带VR设备时,当我们转头,视觉与身体动作的感知之间不存在延迟;而佩戴VR眼镜时,当我们转头,VR设备需要一定的时间去判定我们的动作,短时间内使用出现这一现象可能并不会造成明显的不适,但当我们较长时间使用VR设备时,这一现象引发的不适感就会快速上升,并且在我们脱下VR设备后,持续较长时间。

3.场景和移动问题

VR设备带来的视觉场景范围大于人类的正常视觉范围。VR设备为了给我们带来更好的沉浸式体验,提供的视觉范围会比我们正常的视觉范围大,同时VR设备所呈现的是我们不熟悉的环境,人类本能的会去频繁移动眼球和转动头部去观察和感知这个环境。

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频繁移动视觉焦点同样会造成晕眩感

但这一动作与我们在正常世界中的动作不同,在我们的正常世界中,环境是不会跟着头部的移动而产生移动,当我们倾斜头部时,我们的视觉能够告诉我们的大脑这是个真实的世界;而VR设备中的视觉会随着我们头部的转动而转动,甚至当我们头部倾斜时,画面也会跟着倾斜,这一现象就会非常显著的增加人体不适感。

4.视觉辐辏

VR设备的物理景深和人类视觉不统一。人类在观察较近物体时,需要睫状肌带动晶状体进行对焦。当聚焦点较近时,瞳孔的距离会相对靠近,聚焦点较远时,瞳孔会相对向外,这一现象被称为视觉辐辏。

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平面的屏幕无法产生物理景深

VR设备中屏幕发出的光是平面的,不带有深度信息,目前的VR设备暂时无法形成物理景深,只能通过画面的模糊或清晰刻意塑造景深。人类在观察不同景深画面时,因为无法感知到距离信息,只能将视觉焦点定位在屏幕上,这就与显示出的景深形成冲突。人类较长时间存在于这种环境之中,就会产生较严重的晕眩感,并且这一问题以目前的技术无法解决。

这些方法也许能够解决晕眩问题

从去年消费类VR设备正式开始上市,用户对VR产品的关注点从原来的是否能够获得更加真实的体验变成了什么时候才能解决这个人体本能产生的晕眩感。不过好在,对于VR眩晕的问题,各家VR厂商和研究机构已经在进行针对研究,并提出了几种相对有效的措施。

VR想普及?不解决这个问题永远没戏!针对VR的眩晕问题 各方面提出了相对有效的改善方法

1.电刺激:

针对人类前庭系统和视觉不统一的问题,国外的一家研究机构提出,通过电击前庭系统,能够使人类感知到与视觉相匹配的运动感受。前庭系统是人类的神经系统的一部分,而神经传导则是使用电信号进行信息的传输和分析。这项方案希望通过与进行人体前庭系统研究的机构进行合作,捕捉人体在各种运动状态时前庭系统的电信号特征,通过贴在关键位置的电极片电击,模拟前庭的电信号,让大脑感知到身体的运动状态。

不过这一方法听起来存在一些风险,当我们的大脑在受到刺激并产生模拟运动的感受时,身体很可能产生相应的动作,如果操作不慎,很可能造成安全隐患。

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通过电刺激前庭使大脑获得运动的感受

2.减少延迟

VR设备的延迟是听起来非常好解决但实际上非常难以解决的一个问题,VR中视觉的移动是通过VR眼镜/头盔中运动感知系统捕捉人体的运动,将信号传导给电脑,电脑进行画面渲染,再将移动之后的画面传导给VR眼镜/头盔,投射到内置的屏幕上。而这一过程的速度不能超过20ms,否则就会产生眩晕感。

这对于VR设备来说是一个不小的挑战,首先,VR设备需要足够精准的捕捉人体的动作,无论反应速度还是幅度都要非常精准的捕捉。同时,电脑的性能对于图像的传导同样非常重要,它需要快速的分析使用者的身体移动,并渲染出与之相匹配的画面,传回VR设备端,所以目前世界上只有1%不到的电脑能够达到这一效果。

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超过20ms的延迟就会造成较严重晕眩

除此之外,VR设备的屏幕也非常重要,20ms以内的延迟,就代表着VR设备中屏幕的刷新率应该在50FPS以上,所以目前行业的刷频率都在60FPS以上。除了屏幕的刷新率提高以外,屏幕本身的技术也非常重要,VR经常快速移动的特点要求屏幕的反应速度非常快,绝不能出现动态拖尾和残影。这一基本要求就让现在主流的LCD屏幕彻底无缘VR设备,目前市面上主流的VR设备都使用了OLED屏幕,一方面响应迅速,另一方面每个像素都能单独控制,色域更广,对比度更强。

3.参照物

我们在使用普通屏幕显示器或固定式巨幕影视时,我们的视觉相对静止,而且画面不会跟着我们的视觉移动,所以我们有相对静止的参照物,这与我们正常的视觉环境几乎一致,几乎不会出现晕眩现象。而很多人在使用VR设备晕眩的原因是,视觉没有一个较为固定的焦点,不断快速切换目标造成视觉疲劳和不真实感。

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目前不少VR游戏都通过添加固定的参照物减少晕眩感

所以有的研究机构通过在VR设备的画面中添加固定的参照物,让用户的视线能够相对稳定的对焦,避免快速移动带来的晕眩感。从目前得到的结论来看,添加固定的参照物有助于减少晕眩感,但也会相对的影响沉浸式虚拟现实体验,更加清晰的告诉大脑,这并不是真实的视觉环境。

4.光场摄像

传统的影像记录都是平面的,产生的图片(动态影像由一张张图片快速播放产生)都是平面的,并不能记录光线的方向信息,也不能进行后期的再对焦,观看图像/影像的用户也只能看到拍摄时所设定的对焦距离这一二维平面的影像,而不是整个画面空间。所以这一原因也会造成每个用户因不同视觉对焦习惯与画面不符,所引发的各种不适感。

现在一种新出现的被称之为光场摄影的技术,能够通过镜头内的多重透镜记录当前画面的四维空间,并允许后期对画面进行重新的对焦、调整景深或重新曝光。在VR设备中投映画面时,通过数字光场,将整个场景的所有信息全部记录并投映在屏幕上面,用户能够根据自己的习惯自主选择聚焦位置,更加真实的模拟人类的正常视觉,减少因为视觉辐辏所引发的晕眩感。

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光场摄影技术能够记录当前环境的四维空间

从去年消费者版Oculus Rift、HTC Vive、PS VR上市以来,搭载在VR端的娱乐而和教育内容以井喷式的速度快速出现,但随之而来的问题铺天盖地,甚至产生了“VR必死”之类的理念。其实VR仍是未来显示技术的一种发展前景,尤其是在军事、医学、建筑、工业等方面的教育方面,能够大量减少成本、提升教育效率和安全性。我们看到了各家VR厂商和研究机构针对VR眩晕这一问题做出的思考和解决方案,但目前而言,我们仍未得到切实可靠并且稳定可持续的改良技术。我们期待在短时间内VR技术能够解决这一难题,并快速改善我们的显示技术,让我们能够随时随地的享受沉浸式体验带来的虚拟现实世界。

段嘉祺 本文来源:中关村在线 责任编辑:段嘉祺_NT7312
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