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虛擬現(xiàn)實(shí)比3D電影提供了更豐富的三維感知信息，更逼近于人眼觀看三維物理世界的方式。但為什么vr虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備VR眼鏡在佩戴一段時(shí)間后會(huì)導(dǎo)致眩暈和人眼疲勞呢?其原因是多樣的，vr虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備存在的問(wèn)題主要包括如下3方面。
vr虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中存在的問(wèn)題：身已動(dòng)而畫(huà)面未動(dòng)。
如果無(wú)法獲取VR眼鏡的姿態(tài)和平移信息，則無(wú)法感知到移動(dòng)視差。身體移動(dòng)后，觀 看視點(diǎn)的位置和觀看角度也隨之改變，但人眼看見(jiàn)的3D畫(huà)面并沒(méi)有相應(yīng)的改變。這會(huì) 導(dǎo)致大腦在處理視覺(jué)信息和肢體運(yùn)動(dòng)信息時(shí)產(chǎn)生沖突，從而在一定程度上導(dǎo)致眩暈不適。
vr虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中存在的問(wèn)題：畫(huà)面已動(dòng)而身未動(dòng)。
目前虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用還局限在一個(gè)非常有限的物理空間內(nèi)。當(dāng)畫(huà)面快速變化時(shí)，我 們身體的運(yùn)動(dòng)也應(yīng)該與之匹配，但受到運(yùn)動(dòng)范圍的限制，身體并沒(méi)有產(chǎn)生對(duì)應(yīng)幅度的運(yùn) 動(dòng)，從而在大腦中產(chǎn)生了肢體運(yùn)動(dòng)信息和視覺(jué)信息的沖突。例如，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)過(guò)山 車(chē)時(shí)，觀看視點(diǎn)和角度在快速地變化，但身體卻保持不變。當(dāng)VR畫(huà)面變化(過(guò)度)越快 時(shí)，大腦產(chǎn)生的沖突越明顯。
上述兩種眩暈都是由視覺(jué)信息與肢體運(yùn)動(dòng)信息之間的沖突造成的，統(tǒng)稱為暈動(dòng)癥。 產(chǎn)生暈動(dòng)癥的vr虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中存在的問(wèn)題：技術(shù)原因是多方面的。
空間位置定位和姿態(tài)角度定位的精度和速度。
慣性測(cè)量裝置(Inertial Measurement Unit,IMU)是一種微機(jī)電(MEMS)模塊，也是 當(dāng)前VR眼鏡測(cè)量角度姿態(tài)的主要技術(shù)手段。但I(xiàn)MU只能測(cè)量姿態(tài)角度，不能測(cè)量空間 位移。多個(gè)IMU組合可以實(shí)現(xiàn)空間位移測(cè)量，但積累誤差大且難以消除，暫不適用于 VR眼鏡。另一種定位技術(shù)是基于傳統(tǒng)攝像頭的SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)算法，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)空間位置定位和姿態(tài)角度定位且適用于復(fù)雜場(chǎng)景，但目前 SLAM算法在精度、速度和穩(wěn)定性上都有待提高。基于雙目相機(jī)或深度相機(jī)的SLAM是 一個(gè)有價(jià)值的潛在研究方向。目前最實(shí)用的定位技術(shù)是HTC Vive Pre中應(yīng)用的紅外激 光定位技術(shù)，硬件成本低且同時(shí)具備高精度低時(shí)延的空間位置定位和姿態(tài)角度定位，但其 應(yīng)用局限于小范圍的空曠場(chǎng)景中。
vr虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中存在的問(wèn)題：顯示器件的刷新頻率。
目前頭戴顯示(HMD)的像源主要包括微投影儀和顯示屏兩種。其中，微投影儀主要 應(yīng)用在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，如 Google Glass、Hololens、Meta、Lumus、Magic Leap 等。虛擬現(xiàn)實(shí) 主要采用小尺寸顯示屏(6寸以下)作為像源，其中，顯示屏又分為液晶顯示屏(Liquid Crystal Display,LCD)和有機(jī)自發(fā)光顯示屏(Organic Light-Emitting Diode，OLED)。目 前，LCD和OLED屏幕的刷新率普遍能達(dá)到60Hz以上，部分型號(hào)甚至能達(dá)到90Hz以 上。OLED采用自發(fā)光成像，因此余暉比LCD更小，上一幀圖像的殘影更小。
vr虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中存在的問(wèn)題：圖像渲染時(shí)延。
虛擬現(xiàn)實(shí)所創(chuàng)建的模擬環(huán)境是經(jīng)計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)渲染生成得到。渲染的速度直接 由計(jì)算機(jī)性能決定，尤其依賴于計(jì)算機(jī)中的顯卡(Graphic Processing Unit,GPU)性肯g。 目前高性能的GPU渲染一個(gè)復(fù)雜場(chǎng)景已能達(dá)到全高清(Full HD)90fps以上。
VR眼鏡的圖像刷新速度取決于上述3個(gè)技術(shù)指標(biāo)的最低值。也就是說(shuō)，上述3個(gè) 環(huán)節(jié)中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)速度慢都會(huì)導(dǎo)致圖像刷新率降低，從而出現(xiàn)暈動(dòng)癥。在前幾年，VR 設(shè)備廠商將VR眼鏡的眩暈歸因于“圖像刷新太慢”。但目前最新的VR眼鏡在空間位置 定位和姿態(tài)角度定位的速度、顯示器件的刷新頻率、圖像渲染速率3個(gè)指標(biāo)均能達(dá)到 90Hz,遠(yuǎn)高于人眼時(shí)間暫留的刷新閾值(24Hz)。為什么還是會(huì)眩暈?zāi)?有人懷疑是活動(dòng)范圍有限導(dǎo)致身體移動(dòng)的幅度與畫(huà)面變化幅度不一致。萬(wàn)向跑步機(jī)無(wú)限延伸了活動(dòng)范 圍，但眩暈的問(wèn)題依然存在。由此可見(jiàn)，上述兩個(gè)方面是造成了眩暈的表象原因，并不是 根本原因。
vr虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中存在的問(wèn)題：聚焦與視差沖突。
對(duì)照2. 3節(jié)中提到的3種主要深度信息，當(dāng)前的頭戴顯示設(shè)備只提供了前兩種，即 “雙目視差”和“移動(dòng)視差”，而沒(méi)有提供“聚焦模糊”。聚焦丟失(聚焦錯(cuò)亂)是產(chǎn)生眩暈的 “罪魁禍?zhǔn)住薄！熬劢鼓：闭娴木瓦@么重要嗎?眾所周知，雙眼能感知物體遠(yuǎn)近，但其實(shí)單 眼也可以。當(dāng)伸出手指，只用一只眼注視手指時(shí)，前方的景物模糊了;而當(dāng)注視前方景物 時(shí)，手指變得模糊，這是由眼睛的睫狀肌屈張調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。眼睛聚焦在近處時(shí)，睫狀肌 收縮，近處的物體清晰而遠(yuǎn)處的場(chǎng)景模糊;眼睛聚焦在遠(yuǎn)處時(shí)，睫狀肌舒張，遠(yuǎn)處的場(chǎng)景清 晰而近處的物體模糊。通過(guò)睫狀肌的屈張程度能粗略感知到物體的遠(yuǎn)近，因此單眼也能 感知到立體三維信息。
回到之前3D電影眩暈的問(wèn)題，當(dāng)觀看者坐在第一排中間位置時(shí)，雙眼到大熒幕距離 為10m且保持不變。當(dāng)3D內(nèi)容為遠(yuǎn)處的高山時(shí)，雙目視差較小，會(huì)引導(dǎo)人眼注視于前方 幾百米處。而人眼接收的光線都來(lái)自l〇m處的大熒幕，左眼和右眼會(huì)自主地聚焦在10m 處的平面上以便能清晰地看見(jiàn)圖像。此時(shí)雙目的匯聚和睫狀肌的屈張水平不一致，從而 導(dǎo)致了人眼不適。同理，當(dāng)3D內(nèi)容為眼前l(fā)m處的一條蛇時(shí)，人眼仍然聚焦在10m處的 平面，從而產(chǎn)生類似的聚焦與視差沖突。
vr虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中存在的問(wèn)題：反恐精英舉例
聚焦與視差之間的沖突比視覺(jué)信息與肢體運(yùn)動(dòng)信息之間的沖突更嚴(yán)重。舉個(gè)例子， 反恐精英(Counter-Strike，CS)是一款風(fēng)靡世界的射擊類游戲，玩家以第一人稱視點(diǎn)在虛 擬環(huán)境中奔跑、跳躍和射擊。當(dāng)畫(huà)面變化時(shí)，玩家仍然靜坐在計(jì)算機(jī)前，并沒(méi)有實(shí)際的跑 動(dòng)和跳躍。此時(shí)玩家并沒(méi)有產(chǎn)生眩暈的感覺(jué)，甚至能長(zhǎng)時(shí)間沉浸其中。其原因在于玩家經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的訓(xùn)練以后，在大腦中建立了肢體運(yùn)動(dòng)與鼠標(biāo)鍵盤(pán)操作之間的映射關(guān)系，比 如前后左右跑動(dòng)與鍵盤(pán)W、S、A、D按鍵對(duì)應(yīng)，跳躍與空格按鍵對(duì)應(yīng)。因此，通過(guò)運(yùn)動(dòng)關(guān)系 的映射，視覺(jué)信息與肢體運(yùn)動(dòng)信息之間的沖突(暈動(dòng)癥)得以大大減輕，但睫狀肌的屈張是 一種自發(fā)行為。睫狀肌會(huì)自主地屈張到正確的水平，以保證人眼聚焦在所關(guān)注物體的表 面。并且人眼總是趨向于得到最清晰的視覺(jué)成像，這也會(huì)促使睫狀肌處于與之匹配的屈 張水平。因此強(qiáng)迫睫狀肌處于非正確的屈張水平或被錯(cuò)誤地引導(dǎo)到不匹配的屈張水平都 會(huì)導(dǎo)致上述的沖突，從而導(dǎo)致眩暈和人眼疲勞。通過(guò)訓(xùn)練來(lái)建立類似于“反恐精英”中的 大腦映射是無(wú)法解決此類沖突的，只能通過(guò)頭戴顯示設(shè)備產(chǎn)生不同深度的圖片去引導(dǎo)人 眼自然地聚焦在遠(yuǎn)近不同的平面上才能從根本上解決這一沖突，從而解決眩暈和人眼 疲勞。
vr虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中存在的問(wèn)題：VR眼鏡眩暈問(wèn)題引發(fā)的思考
VR眼鏡的嚴(yán)重眩暈問(wèn)題引發(fā)了對(duì)另一個(gè)問(wèn)題的思考，為什么3D電影在數(shù)小時(shí)后才 出現(xiàn)眩暈或人眼疲勞，而VR眼鏡的耐受時(shí)間一般只有5?20min，一方面是因?yàn)?D電影 已經(jīng)普及多年，能適應(yīng)3D電影的人群已經(jīng)變得更加適應(yīng)，不能適應(yīng)3D電影的人群已經(jīng) 不再去3D電影院，所以造成所有人都能耐受3D電影數(shù)小時(shí)的假象。另一方面，3D電影 是第三人稱視角觀看，而虛擬現(xiàn)實(shí)使觀看者處于第一人稱視角，暈動(dòng)癥更加明顯。再一方 面，3D電影的熒幕距離人眼較遠(yuǎn)(一般十米到幾十米不等)，雖然聚焦錯(cuò)亂的問(wèn)題依然存 在，但睫狀肌始終處于較舒張的狀態(tài)。而VR眼鏡的屏幕經(jīng)準(zhǔn)直透鏡放大以后，一般等效 在較近處(一般2?5m)，睫狀肌始終保持緊繃的狀態(tài)，人眼更易疲勞。上述3個(gè)原因?qū)е?-了虛擬現(xiàn)實(shí)的耐受時(shí)間相比于3D電影縮短了很多。
vr虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中存在的問(wèn)題：導(dǎo)致近視
眩暈是目前虛擬現(xiàn)實(shí)最大的技術(shù)瓶頸，大大限制了虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展，并且會(huì)對(duì)人眼造成傷害。在VR眼鏡佩戴的全過(guò)程中都會(huì)強(qiáng)迫人眼處于錯(cuò)誤的聚焦平面，睫狀肌得不到連續(xù)自然的舒張和收縮。長(zhǎng)此以往，睫狀肌彈性下降，失去了自主調(diào)節(jié)的能力， 從而導(dǎo)致近視。尤其對(duì)于12歲以下的兒童，人眼器官正處于生長(zhǎng)發(fā)育階段，VR眼鏡會(huì)大大增加患近視的可能性。
即使是成年人，長(zhǎng)期佩戴vr虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備也會(huì)導(dǎo)致視力下降。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于幼教領(lǐng)域需嚴(yán)格控制佩戴時(shí)間。幼兒應(yīng)盡可能減少甚至不佩戴VR眼鏡，直到突 破這一技術(shù)瓶頸。
