VR技術(shù)的涵意及挑戰(zhàn)

作者/ 高煥堂 臺灣VR產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主席

摘要：VR技術(shù)將人類從有框的世界帶入到無框的世界，享受“身臨其境、沉浸其中”的新體驗(yàn)。為了達(dá)成這樣的效果，必須提供高明的騙術(shù)來欺騙大腦，讓其信以為真。所以，許多人稱VR技術(shù)為“欺騙大腦的技術(shù)”。然而，當(dāng)今的VR技術(shù)還不夠高明，大腦還是會發(fā)現(xiàn)，從而讓人們產(chǎn)生暈眩，甚至想吐的感覺。這是現(xiàn)階段VR技術(shù)發(fā)展的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。本文詳細(xì)說明了VR技術(shù)的發(fā)展，以及如何面對上述挑戰(zhàn)，努力提供更好的視覺和身體動作的欺騙大腦的技術(shù)，來達(dá)到更好的VR沉浸體驗(yàn)。

1 細(xì)說VR的無框世界

　　無框世界讓人們享受“身臨其境、沉浸其中”的全新體驗(yàn)。傳統(tǒng)電視、手機(jī)和AR，大多屬于有框的呈現(xiàn)(圖1和圖2)。“有框”就意味著我在框外，看得見邊框。反之，“無框”意味著我在框內(nèi)，看不見邊框。一般而言，VR和MR大多屬于“無框”的呈現(xiàn)和交互(如圖3和圖4)。

　　傳統(tǒng)上，一般電影導(dǎo)演給觀眾的是一個框，而VR的設(shè)計者所給的是一個完整的世界，觀眾可以自主選擇觀看任意視角或劇情。所以在無框的世界里，觀眾可以隨意轉(zhuǎn)頭、左顧右盼，而不會看到框外去(如圖5～7)。

　　也因?yàn)榻o予觀眾自由度，才能把奇妙世界帶入人的心中，讓人的體驗(yàn)和感覺更真實(shí)。VR觀眾的視線是由自己控制的，其目光聚焦在哪里也是自由的。這種自由度，是許多VR行業(yè)應(yīng)用里所需要的。例如，大家常見的醫(yī)院遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，大多透過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(web camera)的自動旋轉(zhuǎn)來拍攝數(shù)千公里外小醫(yī)院病床上的患者情況(圖8)，然后實(shí)時送回到大醫(yī)院的會診室內(nèi)，呈現(xiàn)于傳統(tǒng)的電視或計算機(jī)屏幕(有框)里。

　　此時，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的轉(zhuǎn)動方向及速度決定于病床端的控制器，大醫(yī)院的醫(yī)生沒有控制力和自由度。這種傳統(tǒng)有框視覺的極大限制若能改為VR無框機(jī)制和設(shè)備，提供給遠(yuǎn)程醫(yī)生美好無框體驗(yàn)，可大幅增進(jìn)會診效果。其中最簡單的解決方案是透過遠(yuǎn)程“360°全景攝像機(jī)”拍攝數(shù)千公里外小醫(yī)院病床上的患者情況，實(shí)時送回大醫(yī)院會診室內(nèi)的VR終端(如HTC Vive、Android Daydream或三星Gear VR)里。大醫(yī)院會診室里的醫(yī)生帶上VR頭盔，身臨其境(進(jìn)入無框之境)地參與會診。給予會診醫(yī)生們自由的視覺交互，在無框世界里，左顧右盼，仔細(xì)審視數(shù)千公里外病人的癥狀。

　　此時，大醫(yī)院的醫(yī)生有自主權(quán)，決定看手，還是看頭，想看多久就看多久。而且醫(yī)生想仔細(xì)看手或腳，多凝視幾秒，焦距自動縮短，手腳就放大了。換句話說，在傳統(tǒng)的有框世界里，醫(yī)生像在看電影，鏡頭由導(dǎo)演決定，醫(yī)生無自主性;改用VR機(jī)制后，其視野和焦點(diǎn)由遠(yuǎn)程醫(yī)生決定。這樣，把左顧右盼、審視時間和順序的自由度歸還給遠(yuǎn)距的醫(yī)生，才是會診的正道。

2 VR技術(shù)：欺騙大腦的技術(shù)

　　為了實(shí)現(xiàn)無框的呈現(xiàn)，需要VR使人們沉浸到虛擬世界中。所以，VR技術(shù)也是一種欺騙大腦的技術(shù)。

　　其中最主要的技術(shù)就是“視覺欺騙”。人眼的視覺是可以感覺出深度的，基于深度數(shù)據(jù)就能判斷出立體空間中的相對位置。由于兩個眼睛的位置不一樣，所以看到的東西會有視差，得到不同的影像，然后人腦再將這兩個影像做融合，形成3D立體景象。

　　例如，Google I/O會議上展示了一個VR城堡防衛(wèi)游戲，由計算機(jī)繪制出3D的虛擬模型，再透過VR眼鏡提供模擬兩眼的視像，讓大腦合成3D立體影像，產(chǎn)生景深，感覺身臨其境(圖9)。

　　利用傳感器(Sensor)追蹤用戶頭部的運(yùn)動，隨著頭部的姿勢移動來顯示3D內(nèi)容。例如，戴上了HTC Vive頭顯，用戶可以上下左右隨意環(huán)顧，而VR的虛擬世界的特定部分就呈現(xiàn)在眼前了。

　　目前VR最主要的沉浸體驗(yàn)依賴于視覺欺騙。無論是跟隨頭部動作的畫面，還是全方位的3D景深，都能栩栩如生地出現(xiàn)在眼前。頭盔設(shè)備的清晰度和延遲方面都在快速發(fā)展中，目光所及的虛擬世界，讓人們感覺越來越真實(shí)。

3 有待突破的挑戰(zhàn)：眩暈感

　　VR技術(shù)就是欺騙大腦的技術(shù)，然而，目前的技術(shù)還不夠高明，無法完美地欺騙大腦，常常會產(chǎn)生眩暈感，甚至嘔吐。所以，眩暈感是目前VR技術(shù)的主要挑戰(zhàn)。

　　眩暈感是目前VR設(shè)備帶來的副作用之一，它是由視覺與動覺的不一致所引起。人體是由眼睛和內(nèi)耳平衡器官來判斷物體是否在運(yùn)動，在正常環(huán)境下，兩者所傳送給大腦的信息是一致的。一旦產(chǎn)生運(yùn)動的不和諧，就會帶來眩暈感。例如，在乘車時，如果坐在封閉的車廂(看不見窗外景色)，在顛簸的道路上行駛，視覺上是靜止的，但內(nèi)耳器官傳達(dá)給大腦的知覺卻是“身體在動”，這種不和諧就容易引起眩暈。

　　此外，許多武俠VR游戲中，常常有飛翔的場景，眼睛看到的景象是運(yùn)動的，但是內(nèi)耳器官卻傳遞給大腦靜止的知覺，這種不和諧常常引起眩暈，甚至導(dǎo)致嘔吐。因此，在開發(fā)VR內(nèi)容時，應(yīng)盡量避免設(shè)計太多的跳躍或飛翔情境。

4 視覺與頭部運(yùn)動的和諧性

　　典型的是人們藉由頭盔顯示器(HMD，簡稱頭顯)來獲得影像呈現(xiàn)，頭顯內(nèi)含傳感器來追蹤頭部動作，然后根據(jù)頭部的姿勢移動來顯示內(nèi)容。例如，你戴上HTCVive頭顯左顧右盼，頭顯就會將3D影像的特定部分呈現(xiàn)在眼前。

　　為了降低眩暈感，除了3D虛擬場景的逼真視覺，還得要視覺與頭部動覺保持和諧性。例如，當(dāng)轉(zhuǎn)動頭部時，看到的圖像并不會隨著視線立即移動，這就是延遲(Latency)。視覺延遲常常導(dǎo)致視覺與頭部動覺不一致，大腦就警覺了，逐漸產(chǎn)生眩暈感。其解決方法就是力求提高刷新率來降低延遲，而低延遲意味著視覺與動覺高一致性，眩暈感就降低了。一般而言，在VR中，如果幀率在90fps以下，就會引起用戶的不適感覺。

5 視覺與身體運(yùn)動的和諧性

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第87頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。