讓VR成為「黑科技」的5大原因

人生已經如此的艱難，能拆穿的還是得拆穿

《赫芬頓郵報》科技專欄作者Steve Baker，曾在Quora上回答了問題How big an issue is the nausea problem for Virtual Reality products? （使用VR設備會產生眩暈，這個問題到底有多嚴重？）進而引起了各界對於VR是不是「黑科技」的熱烈討論。

Steve Baker在VR領域工作了25年，是美軍頭戴顯示器研發項目的專家，並對過去20年的飛行員機艙模擬訓練數據進行了分析。Steve認為，VR設備始終無法擺脫使用戶產生眩暈感的窠臼，光這一個理由，就將導致VR設備永遠無法實現大面積使用。

之所以會使用戶產生眩暈感，是因為VR技術有著以下兩個無法突破的限制：

缺乏深度知覺（Depth Perception)

正常情況下，如果想要看清幾米內的物體，我們必須通過睫狀肌來改變眼球成像的焦點，以便清晰地看清目標。這一過程的工作原理是，睫狀肌通過收縮或鬆弛改變屈光度,使得人們無論是遠看或近看時，眼球聚光的焦點都能準確地落在視網膜上。

人體眼球結構

人類的「深度知覺」機能還包括「立體觀測」（stereopsis ）和「聚合」（convergence）。具體來說，觀察世界時，我們的兩隻眼睛會各自看到一張圖片，這兩張圖片會有些細微的不同。當我們控制雙眼聚焦到一點上，兩張圖片就會「融合」（fuse）在一起。「融合」的過程是通過控制「瞳距間肌肉群」（inter-ocular muscles）來實現的。

人們始終是用這兩組肌肉群來測量物體間距離的，一套用來聚焦，另一套用來「聚合」。當自然觀像時，兩組肌肉同時協作，大腦就會得到有關圖片內容的正確信號。但是當我們使用VR設備時，我們的大腦卻會接收到錯誤的圖片信息，因為：第一，目前沒有顯示設備能夠重現來自不同距離的光線。第二，在VR設備之中，我們也無法達到雙肌肉群綜合作用所達到的效果。

舉個例子，正常人眼在觀看物體時是具有特定焦距的，不同的焦距對應不同的視角，在焦距值固定的情況下，若物體處在視角內，則圖像會處於清晰狀態，反之則處於模糊狀態。但目前的VR熱備在進行圖像渲染時，焦距均設置為無限遠，暨默認所有東西都能看得到。因此，VR設備單一的觀察無法契合人類雙肌肉群綜合作用的肌理特徵，而我們也無法欺騙我們的大腦。

C為真實人眼成像，D為VR設備模擬成像

目前已知的科技方法還無法解決這一問題。如果非要解決的話，我們需要針對視覺系統進行全新的研究，並開發一種新的技術，這種技術建立在像素等級基礎上，設備可以動態聚焦光線。但是，戴著擁有這種技術的設備，每一秒的均價就達到了20美元。

僅僅因為無法活動聚焦這一個缺陷，人類就永遠無法擺脫VR眩暈。除非在VR軟體里，所有的物體都在觀察者3米之。3米是人類近距離精確聚焦的合適數值，這個數值的限制，完全排除了任何室內題材的VR軟體（室內空間經常達不到距離大於3米這個條件），或者任何能使用手臂直接進行交互的VR軟體（距離太近）。

另一個例子也說明了這一問題。在飛行模擬器領域，頭盔顯示器就不會讓飛行員產生眩暈感。在實驗和模擬測試時，Steve的其他研究者讓飛行員坐在模擬的飛機駕駛室內，並且使用了半透明的裝置，飛行員可以看到顯示器上模擬的機艙外部事物。這些事物自然都在數米之外，由於上述原因，戴著頭盔顯示器的飛行員絕大多數情況下不會出現眩暈感。

但有一個例外：在訓練空中加油的時候，軟管浮錨裝置會處於離飛行員頭頂一米左右的位置。因為上面說過的原因，甚至許多飛行員也會感到眩暈。因此，有的飛行員乾脆在訓練艙里關掉圖像，光靠儀錶來練習空中加油。

動量（Depth Perception)感知錯位

在真實世界裡活動時，我們的身體會服從動量守恆定律。當你在行走時突然停下，身體的質量會和運動的慣性導致你繼續往前移動，你必須通過控制肌肉來保持身體的穩定。但在VR使用的世界裡，並不存在動量這一說。

如果只是在看電視或者電影，那擔心確實沒有必要，因為我們能夠意識到平面屏幕上的圖像不是真實的，因此我們接受了這個設定：看電視時，我們的身體不需要感受到任何動量。但是，在感知一些更真實的內容時，我們就會陷入尷尬：視覺系統告訴我們，我們在運動，但我們的身體卻沒有承受動量。視覺信息和前庭刺激（vestibular stimuli）之間無法達成一致，這讓我們感到強烈的困擾。

「我的眼睛說我在加速，但胃和平衡器官卻告訴我並沒有。啊，我肯定是暈了！好想吐。」

我們暈船的原因也與之相似，我們的視覺告訴我們，船艙內部是一個大而穩定的空間，但是我們的動能系統告訴我們「很明顯我們在搖動，因為動量一直在變化。

谷歌眼鏡盒子

開發谷歌紙框VR的程序猿意識到了這一點，因而作出了建議：在使用VR設備時，儘可能地站著別動，或者稍微移動頭部就好。不少人確實這樣做了，故而沒有產生眩暈感。

但是，哪怕內容實際上很精彩，99%的VR設備還是會導致眩暈。例如，在目前的VR電競遊戲中，主角（或者主角視角）幾乎無法避免有一些加速的動作，無法不同。或者，開發者只做一些炫酷的內容放在遠處，你站著靜靜旁觀就好——既然如此，VR的價值和3D電影有什麼區別。

因此，因為物理法則的限制，這個問題也同樣無法解決。

Oculus Rift首席技術官John Carmack

另外，Oculus開發者博客上的一篇文章系統性地介紹了導致「VR眩暈」的原因，原文作者Tom Forsyth也是一位在VR界縱橫了20餘年的「老兵」。除了上述兩個問題之外，Tom認為VR技術還存在以下三點特殊的限制，但這些問題是可以解決的：

錯誤的畸變矯正(Distortion Correction)

錯誤的畸變校正(Distortion Correction): 為了增強用戶的沉浸感，VR設備會採用一組放大鏡片來擴大用戶的FOV(Field of View，視角)，原理和廣角鏡頭是一樣的。但是，視角擴大的同時，圖像也會發生畸變。傳統的思路是從鏡片著手，採用昂貴的非球面鏡片來盡量減小圖像的畸變。而Carmack則逆勢思維，在圖像渲染時直接進行逆向畸變，然後通過透鏡來抵消這一畸變。這樣做的好處是顯而易見的，它減去了採用非球面鏡片所帶來的額外成本。而這樣做的挑戰在於--需要精確地計算逆向畸變的參數值。

經過逆向畸變渲染後的圖像

如果數值不準確，用戶通過透鏡看到的圖像依舊會帶有畸變，從而產生眩暈。幸運的是，主流廠商(Oculus, HTC, Google Cardboard, PSVR)都在他們提供的SDK(Software Development Kit, 開發者工具包)里幫開發者解決了這一問題。

錯誤的瞳孔距參數(IPD, Interpupillary Distance)

在模擬3D成像時，渲染在屏幕上的圖像會分為左右兩屏，分別模擬人的左右兩眼所看到的圖像。這兩個圖像基本相似，除了些微的差異(這點大家在上面的圖片中也可以看到)。差異的大小取決於人的瞳孔距，而不同人的瞳孔距是不同的。所以，在進行圖像渲染時，就需要考慮用戶的實際瞳孔距。如果瞳孔距參數設置的不合適，用戶就無法聚焦，從而產生眩暈感。

在之前的DK2開發者版本中，Oculus提供了參數設置工具來讓用戶提前設置自己的瞳孔距參數。而在最新的Rift消費者版本中，Oculus更進一步，直接提供了一個硬體開關來動態調節瞳孔距參數。

高延遲(Latency)

美軍專家Steve也在文章中提到了延遲問題。這裡的延遲，指的是用戶產生輸入(如頭部轉動)到用戶看到圖像變化之間的時間差，如果延遲足夠大，就會在用戶所感知的行動和實際所見之間產生錯位，造成眩暈。

Oculus首席科學家Michael Abrash有一篇文章對導致延遲的原因做了精確的闡述。以頭部轉動為例，從用戶轉動頭部到實際看到眼前圖像變化，需要經歷3個環節：感測器檢測到頭部轉動角的變化->CPU計算出新的需要渲染的圖像->屏幕更新圖像。每個環節都會產生延遲，當總延遲高於15ms時，就會產生較為明顯的眩暈。文章還指出了相應的解決方案--使用高刷新率的感測器和OLED屏幕。

編譯文章:

1、How big an issue is the nausea problem for Virtual Reality products?， Quora

參考文章：

1、如何看待Steve Baker關於VR的文章？ 知乎，胡韜

2、Latency – the sine qua non of AR and VR，Michael Abrash

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