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從視覺(jué)系統的原理入手 破解VR眩暈癥

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     虛擬現實(shí)技術(shù)近年來(lái)迎來(lái)一波快速發(fā)展,適用范圍也擴展到更多領(lǐng)域,引得眾多老牌巨頭紛紛參與。然而,VR技術(shù)自身仍存在一些極難解決的缺陷;如果無(wú)法攻克,技術(shù)的進(jìn)一步普及將只能是癡人說(shuō)夢(mèng)。目前,不少研究團隊都在從自身的思考出發(fā)試圖尋找答案,但其中最核心、影響最大的問(wèn)題,應該從人類(lèi)視覺(jué)的物理學(xué)原理說(shuō)起。

VR的問(wèn)題

      頭暈、惡心、失衡等癥狀在VR用戶(hù)當中非常普遍。奧地利虛擬現實(shí)公司Junge R?mer展開(kāi)的一項調查顯示,在991位受訪(fǎng)者當中,超過(guò)75%的人至少存在其中一種癥狀。調查還顯示,這些負面影響對于首次使用VR設備的用戶(hù)表現得尤為強烈。另外,這些癥狀的持續時(shí)間與使用時(shí)長(cháng)也保持著(zhù)幾乎線(xiàn)性的關(guān)系。

      除了為娛樂(lè )用途提供更舒適的VR體驗之外,科學(xué)家們還希望積極攻克這個(gè)難題,讓VR技術(shù)在醫學(xué)或教育等其他領(lǐng)域獲得廣泛的適用性。

     所以,物理學(xué)究竟能不能幫助我們改善VR體驗?

VR頭顯是怎么工作的?

      為了理解物理原理在VR中的作用,我們不妨先聊聊VR頭顯與人眼的工作原理。

當我們佩戴起這些精美的VR頭顯時(shí),小小的顯示器與眼球距離很近,完全占據了我們的整個(gè)視野。但是,我們的眼睛無(wú)法聚焦在極近的物體上;為了解決這個(gè)難題,開(kāi)發(fā)人員采用復雜的光學(xué)系統,通過(guò)一組光學(xué)透鏡引導我們的視線(xiàn)聚焦在顯示對象身上。

      于是乎,顯示器發(fā)出的光亮就通過(guò)這個(gè)光學(xué)系統照射到我們的眼部。之后,晶狀體對光線(xiàn)進(jìn)行折射,進(jìn)一步把圖像聚焦在眼睛后部的視網(wǎng)膜上。接下來(lái),部分視覺(jué)接收器就會(huì )將電磁輻射信號轉換為電脈沖,再傳輸給我們的大腦。

      在物理層面,我們可以使用射線(xiàn)模型來(lái)表現整個(gè)過(guò)程。

通常,簡(jiǎn)單的VR光學(xué)系統會(huì )由一組高精度透鏡(通常中菲涅耳透鏡)構成,光線(xiàn)就經(jīng)由它們從顯示器傳遞到您的眼部。

      這些透鏡在設備中意義重大,因為如前所述,我們佩戴VR頭顯時(shí)眼球與顯示器的距離其實(shí)非常近,因此眼部的聚焦能力天然無(wú)法看清圖像。如果不相信,各位可以把手機屏幕慢慢拉近自己的雙眼,應該能明顯感受到自己的近距離聚焦極限在哪里。另外,盯著(zhù)過(guò)近的東西看一會(huì )兒,大家往往會(huì )感到眼部疲勞、頭昏腦脹。沒(méi)錯,這說(shuō)明眼睛的結構不適合干這活兒。

      但使用VR頭顯,這么近的距離下我們?yōu)槭裁匆材芸吹角逦膱D像?功臣正是這一組復雜的光學(xué)元件,通過(guò)特定的透鏡組合對光線(xiàn)進(jìn)行必要校正。

      但這套光學(xué)系統并不完美,而且只要一丁點(diǎn)的不匹配性就會(huì )對VR的沉浸感產(chǎn)生巨大影響。實(shí)際上,正是由于這點(diǎn)微波的瑕疵,用戶(hù)們才會(huì )大范圍出現失衡、視線(xiàn)渙散、頭暈、頭痛等問(wèn)題。

聚攏調節問(wèn)題

       要從根源上克服挑戰,首先需要解決其中最基礎的光學(xué)難題,即聚攏調節問(wèn)題。大多數VR開(kāi)發(fā)者認為,除了提高顯示器的分辨率與擴大視野面積之外,聚攏調節正是阻礙VR產(chǎn)品全面普及的第三大障礙。

      舉起一根手指放到面前,然后盯住它看。這時(shí)候我們的眼睛會(huì )完成兩項操作:首先,眼睛會(huì )快速將視線(xiàn)聚焦在手指上(調節),然后兩只眼球開(kāi)始向中心點(diǎn)移動(dòng)(聚攏)。這種聚攏過(guò)程,正是我們觀(guān)看近處事物的必要過(guò)程。

      但VR頭顯的觀(guān)看設計并非如此。在我們佩戴VR頭顯時(shí),眼睛會(huì )始終聚焦在眼前的VR屏幕上,而聚攏過(guò)程則由虛擬圖像的指向距離和位置來(lái)“假裝”實(shí)現。這會(huì )讓眼睛感覺(jué)很不自然、很不舒服,進(jìn)而導致眼疲勞和頭暈惡心。

解決問(wèn)題

      VR企業(yè)正努力解決聚攏調節問(wèn)題。截至目前,所有嘗試都在向我們不斷強調,必須從視覺(jué)原理層面尋找突破口。換句話(huà)說(shuō),我們沒(méi)辦法通過(guò)簡(jiǎn)單的計算或技術(shù)手段加以解決。所以在未來(lái)的VR頭顯中,集成光學(xué)系統必須能夠準確地模擬真實(shí)世界中的光線(xiàn)變化。

       解決問(wèn)題的初步思路,是在VR設備當中引入多個(gè)、而非一個(gè)顯示器。這些顯示器各自擁有不同的焦距,用于呈現虛擬環(huán)境下的不同區域。但這不僅會(huì )大大提升設備的制造成本,同時(shí)也會(huì )令顯示內容的對比度顯著(zhù)下降。

       后來(lái),VR開(kāi)發(fā)者們又將注意力轉向自適應光學(xué)方案。這類(lèi)技術(shù)嘗試使用更靈活的透鏡取代只有單一焦距的傳統VR組件,保證其能夠在1毫秒之內快速完成不同焦距之間的切換。

       在將這些透鏡安裝在人眼與VR顯示器之間后,科學(xué)家們就能創(chuàng )造出更順暢自然、不適感更弱的虛擬體驗。但自適應光學(xué)系統對于頭部位置有著(zhù)嚴格的要求,導致應用之路再次陷入僵局。

      新加坡的一家廠(chǎng)商似乎更進(jìn)了一步,他們認為自適應光學(xué)系統還能再搏一把。2018年,他們開(kāi)發(fā)出一款軟件,能夠確定不同虛擬場(chǎng)景中的最佳焦點(diǎn)位置。另外,他們還引入一款紅外眼動(dòng)儀來(lái)檢查用戶(hù)視線(xiàn),并將信息提供給機械制動(dòng)器,再由后者快速調整焦點(diǎn)定位。

      第三種比較流行的解決方案就是所謂光場(chǎng)技術(shù),其基本思路是從虛擬對象的增量區域內發(fā)出兩條或多條光線(xiàn),將虛擬對象的多個(gè)視圖投影至單一VR顯示器上。之后,這些光線(xiàn)會(huì )被進(jìn)一步投射到顯示器的像素上,但缺點(diǎn)是我們需要的光線(xiàn)越多,對應的像素數量就越大。

       近年來(lái),VR技術(shù)取得了快速且巨大的進(jìn)步。然而,VR設備還遠遠沒(méi)有完善,用戶(hù)們仍然會(huì )頻繁報告自己出現了惡心、頭暈、眼疲勞等問(wèn)題。而且只要一天沒(méi)能徹底解決這些問(wèn)題,我們就無(wú)法將VR真正引入科學(xué)、醫學(xué)、教育等領(lǐng)域。好消息是,目前的工作成果已經(jīng)讓我們相信,克服困難的一大前提在于充分理解人類(lèi)視覺(jué)系統的物理原理,再依照原理開(kāi)發(fā)出完全契合的VR光學(xué)系統。已經(jīng)有眾多企業(yè)在這條道路上傾情投入、奮力前行,我們有理由相信趨近完美的VR頭顯應該就在不遠的未來(lái)。

                                                                                                                                 來(lái)源:科技行者

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