VR技术的涵意及挑战

作者/ 高焕堂 台湾VR产业联盟主席

摘要：VR技术将人类从有框的世界带入到无框的世界，享受“身临其境、沉浸其中”的新体验。为了达成这样的效果，必须提供高明的骗术来欺骗大脑，让其信以为真。所以，许多人称VR技术为“欺骗大脑的技术”。然而，当今的VR技术还不够高明，大脑还是会发现，从而让人们产生晕眩，甚至想吐的感觉。这是现阶段VR技术发展的一项重要挑战。本文详细说明了VR技术的发展，以及如何面对上述挑战，努力提供更好的视觉和身体动作的欺骗大脑的技术，来达到更好的VR沉浸体验。

1 细说VR的无框世界

　　无框世界让人们享受“身临其境、沉浸其中”的全新体验。传统电视、手机和AR，大多属于有框的呈现(图1和图2)。“有框”就意味着我在框外，看得见边框。反之，“无框”意味着我在框内，看不见边框。一般而言，VR和MR大多属于“无框”的呈现和交互(如图3和图4)。

　　传统上，一般电影导演给观众的是一个框，而VR的设计者所给的是一个完整的世界，观众可以自主选择观看任意视角或剧情。所以在无框的世界里，观众可以随意转头、左顾右盼，而不会看到框外去(如图5～7)。

　　也因为给予观众自由度，才能把奇妙世界带入人的心中，让人的体验和感觉更真实。VR观众的视线是由自己控制的，其目光聚焦在哪里也是自由的。这种自由度，是许多VR行业应用里所需要的。例如，大家常见的医院远程医疗系统，大多透过远程网络摄像机(web camera)的自动旋转来拍摄数千公里外小医院病床上的患者情况(图8)，然后实时送回到大医院的会诊室内，呈现于传统的电视或计算机屏幕(有框)里。

　　此时，网络摄像机的转动方向及速度决定于病床端的控制器，大医院的医生没有控制力和自由度。这种传统有框视觉的极大限制若能改为VR无框机制和设备，提供给远程医生美好无框体验，可大幅增进会诊效果。其中最简单的解决方案是透过远程“360°全景摄像机”拍摄数千公里外小医院病床上的患者情况，实时送回大医院会诊室内的VR终端(如HTC Vive、Android Daydream或三星Gear VR)里。大医院会诊室里的医生带上VR头盔，身临其境(进入无框之境)地参与会诊。给予会诊医生们自由的视觉交互，在无框世界里，左顾右盼，仔细审视数千公里外病人的症状。

　　此时，大医院的医生有自主权，决定看手，还是看头，想看多久就看多久。而且医生想仔细看手或脚，多凝视几秒，焦距自动缩短，手脚就放大了。换句话说，在传统的有框世界里，医生像在看电影，镜头由导演决定，医生无自主性;改用VR机制后，其视野和焦点由远程医生决定。这样，把左顾右盼、审视时间和顺序的自由度归还给远距的医生，才是会诊的正道。

2 VR技术：欺骗大脑的技术

　　为了实现无框的呈现，需要VR使人们沉浸到虚拟世界中。所以，VR技术也是一种欺骗大脑的技术。

　　其中最主要的技术就是“视觉欺骗”。人眼的视觉是可以感觉出深度的，基于深度数据就能判断出立体空间中的相对位置。由于两个眼睛的位置不一样，所以看到的东西会有视差，得到不同的影像，然后人脑再将这两个影像做融合，形成3D立体景象。

　　例如，Google I/O会议上展示了一个VR城堡防卫游戏，由计算机绘制出3D的虚拟模型，再透过VR眼镜提供模拟两眼的视像，让大脑合成3D立体影像，产生景深，感觉身临其境(图9)。

　　利用传感器(Sensor)追踪用户头部的运动，随着头部的姿势移动来显示3D内容。例如，戴上了HTC Vive头显，用户可以上下左右随意环顾，而VR的虚拟世界的特定部分就呈现在眼前了。

　　目前VR最主要的沉浸体验依赖于视觉欺骗。无论是跟随头部动作的画面，还是全方位的3D景深，都能栩栩如生地出现在眼前。头盔设备的清晰度和延迟方面都在快速发展中，目光所及的虚拟世界，让人们感觉越来越真实。

3 有待突破的挑战：眩晕感

　　VR技术就是欺骗大脑的技术，然而，目前的技术还不够高明，无法完美地欺骗大脑，常常会产生眩晕感，甚至呕吐。所以，眩晕感是目前VR技术的主要挑战。

　　眩晕感是目前VR设备带来的副作用之一，它是由视觉与动觉的不一致所引起。人体是由眼睛和内耳平衡器官来判断物体是否在运动，在正常环境下，两者所传送给大脑的信息是一致的。一旦产生运动的不和谐，就会带来眩晕感。例如，在乘车时，如果坐在封闭的车厢(看不见窗外景色)，在颠簸的道路上行驶，视觉上是静止的，但内耳器官传达给大脑的知觉却是“身体在动”，这种不和谐就容易引起眩晕。

　　此外，许多武侠VR游戏中，常常有飞翔的场景，眼睛看到的景象是运动的，但是内耳器官却传递给大脑静止的知觉，这种不和谐常常引起眩晕，甚至导致呕吐。因此，在开发VR内容时，应尽量避免设计太多的跳跃或飞翔情境。

4 视觉与头部运动的和谐性

　　典型的是人们藉由头盔显示器(HMD，简称头显)来获得影像呈现，头显内含传感器来追踪头部动作，然后根据头部的姿势移动来显示内容。例如，你戴上HTCVive头显左顾右盼，头显就会将3D影像的特定部分呈现在眼前。

　　为了降低眩晕感，除了3D虚拟场景的逼真视觉，还得要视觉与头部动觉保持和谐性。例如，当转动头部时，看到的图像并不会随着视线立即移动，这就是延迟(Latency)。视觉延迟常常导致视觉与头部动觉不一致，大脑就警觉了，逐渐产生眩晕感。其解决方法就是力求提高刷新率来降低延迟，而低延迟意味着视觉与动觉高一致性，眩晕感就降低了。一般而言，在VR中，如果帧率在90fps以下，就会引起用户的不适感觉。

5 视觉与身体运动的和谐性

本文来源于中国科技核心期刊《电子产品世界》2016年第11期第87页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。