從視覺系統的原理入手 破解VR眩暈癥

     虛擬現實技術近年來迎來一波快速發展，適用范圍也擴展到更多領域，引得眾多老牌巨頭紛紛參與。然而，VR技術自身仍存在一些極難解決的缺陷;如果無法攻克，技術的進一步普及將只能是癡人說夢。目前，不少研究團隊都在從自身的思考出發試圖尋找答案，但其中最核心、影響最大的問題，應該從人類視覺的物理學原理說起。

VR的問題

      頭暈、惡心、失衡等癥狀在VR用戶當中非常普遍。奧地利虛擬現實公司Junge R?mer展開的一項調查顯示，在991位受訪者當中，超過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設備的用戶表現得尤為強烈。另外，這些癥狀的持續時間與使用時長也保持著幾乎線性的關系。

      除了為娛樂用途提供更舒適的VR體驗之外，科學家們還希望積極攻克這個難題，讓VR技術在醫學或教育等其他領域獲得廣泛的適用性。

     所以，物理學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，小小的顯示器與眼球距離很近，完全占據了我們的整個視野。但是，我們的眼睛無法聚焦在極近的物體上;為了解決這個難題，開發人員采用復雜的光學系統，通過一組光學透鏡引導我們的視線聚焦在顯示對象身上。

      于是乎，顯示器發出的光亮就通過這個光學系統照射到我們的眼部。之后，晶狀體對光線進行折射，進一步把圖像聚焦在眼睛后部的視網膜上。接下來，部分視覺接收器就會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，我們可以使用射線模型來表現整個過程。

通常，簡單的VR光學系統會由一組高精度透鏡(通常中菲涅耳透鏡)構成，光線就經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頭顯時眼球與顯示器的距離其實非常近，因此眼部的聚焦能力天然無法看清圖像。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，盯著過近的東西看一會兒，大家往往會感到眼部疲勞、頭昏腦脹。沒錯，這說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為什么也能看到清晰的圖像?功臣正是這一組復雜的光學元件，通過特定的透鏡組合對光線進行必要校正。

      但這套光學系統并不完美，而且只要一丁點的不匹配性就會對VR的沉浸感產生巨大影響。實際上，正是由于這點微波的瑕疵，用戶們才會大范圍出現失衡、視線渙散、頭暈、頭痛等問題。

聚攏調節問題

       要從根源上克服挑戰，首先需要解決其中最基礎的光學難題，即聚攏調節問題。大多數VR開發者認為，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。這時候我們的眼睛會完成兩項操作：首先，眼睛會快速將視線聚焦在手指上(調節)，然后兩只眼球開始向中心點移動(聚攏)。這種聚攏過程，正是我們觀看近處事物的必要過程。

      但VR頭顯的觀看設計并非如此。在我們佩戴VR頭顯時，眼睛會始終聚焦在眼前的VR屏幕上，而聚攏過程則由虛擬圖像的指向距離和位置來“假裝”實現。這會讓眼睛感覺很不自然、很不舒服，進而導致眼疲勞和頭暈惡心。

解決問題

      VR企業正努力解決聚攏調節問題。截至目前，所有嘗試都在向我們不斷強調，必須從視覺原理層面尋找突破口。換句話說，我們沒辦法通過簡單的計算或技術手段加以解決。所以在未來的VR頭顯中，集成光學系統必須能夠準確地模擬真實世界中的光線變化。

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

       后來，VR開發者們又將注意力轉向自適應光學方案。這類技術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，科學家們就能創造出更順暢自然、不適感更弱的虛擬體驗。但自適應光學系統對于頭部位置有著嚴格的要求，導致應用之路再次陷入僵局。

      新加坡的一家廠商似乎更進了一步，他們認為自適應光學系統還能再搏一把。2018年，他們開發出一款軟件，能夠確定不同虛擬場景中的最佳焦點位置。另外，他們還引入一款紅外眼動儀來檢查用戶視線，并將信息提供給機械制動器，再由后者快速調整焦點定位。

      第三種比較流行的解決方案就是所謂光場技術，其基本思路是從虛擬對象的增量區域內發出兩條或多條光線，將虛擬對象的多個視圖投影至單一VR顯示器上。之后，這些光線會被進一步投射到顯示器的像素上，但缺點是我們需要的光線越多，對應的像素數量就越大。

       近年來，VR技術取得了快速且巨大的進步。然而，VR設備還遠遠沒有完善，用戶們仍然會頻繁報告自己出現了惡心、頭暈、眼疲勞等問題。而且只要一天沒能徹底解決這些問題，我們就無法將VR真正引入科學、醫學、教育等領域。好消息是，目前的工作成果已經讓我們相信，克服困難的一大前提在于充分理解人類視覺系統的物理原理，再依照原理開發出完全契合的VR光學系統。已經有眾多企業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。

                                                                                                                                 來源：科技行者