虛擬現(xiàn)實技術(shù)近年來迎來一波快速發(fā)展,適用范圍也擴(kuò)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;如果無法攻克,技術(shù)的進(jìn)一步普及將只能是癡人說夢。目前,不少研究團(tuán)隊都在從自身的思考出發(fā)試圖尋找答案,但其中最核心、影響最大的問題,應(yīng)該從人類視覺的物理學(xué)原理說起。
VR的問題
頭暈、惡心、失衡等癥狀在VR用戶當(dāng)中非常普遍。奧地利虛擬現(xiàn)實公司Junge R?mer展開的一項調(diào)查顯示,在991位受訪者當(dāng)中,超過75%的人至少存在其中一種癥狀。調(diào)查還顯示,這些負(fù)面影響對于首次使用VR設(shè)備的用戶表現(xiàn)得尤為強(qiáng)烈。另外,這些癥狀的持續(xù)時間與使用時長也保持著幾乎線性的關(guān)系。
除了為娛樂用途提供更舒適的VR體驗之外,科學(xué)家們還希望積極攻克這個難題,讓VR技術(shù)在醫(yī)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(dāng)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(jù)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(fā)人員采用復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng),通過一組光學(xué)透鏡引導(dǎo)我們的視線聚焦在顯示對象身上。
于是乎,顯示器發(fā)出的光亮就通過這個光學(xué)系統(tǒng)照射到我們的眼部。之后,晶狀體對光線進(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,部分視覺接收器就會將電磁輻射信號轉(zhuǎn)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(xiàn)整個過程。
通常,簡單的VR光學(xué)系統(tǒng)會由一組高精度透鏡(通常中菲涅耳透鏡)構(gòu)成,光線就經(jīng)由它們從顯示器傳遞到您的眼部。
這些透鏡在設(shè)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(jī)屏幕慢慢拉近自己的雙眼,應(yīng)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(jié)構(gòu)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(fù)雜的光學(xué)元件,通過特定的透鏡組合對光線進(jìn)行必要校正。
但這套光學(xué)系統(tǒng)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(chǎn)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(xiàn)失衡、視線渙散、頭暈、頭痛等問題。
聚攏調(diào)節(jié)問題
要從根源上克服挑戰(zhàn),首先需要解決其中最基礎(chǔ)的光學(xué)難題,即聚攏調(diào)節(jié)問題。大多數(shù)VR開發(fā)者認(rèn)為,除了提高顯示器的分辨率與擴(kuò)大視野面積之外,聚攏調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)),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(shè)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(xiàn)。這會讓眼睛感覺很不自然、很不舒服,進(jìn)而導(dǎo)致眼疲勞和頭暈惡心。
解決問題
VR企業(yè)正努力解決聚攏調(diào)節(jié)問題。截至目前,所有嘗試都在向我們不斷強(qiáng)調(diào),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(shù)手段加以解決。所以在未來的VR頭顯中,集成光學(xué)系統(tǒng)必須能夠準(zhǔn)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(shè)備當(dāng)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(xiàn)虛擬環(huán)境下的不同區(qū)域。但這不僅會大大提升設(shè)備的制造成本,同時也會令顯示內(nèi)容的對比度顯著下降。
后來,VR開發(fā)者們又將注意力轉(zhuǎn)向自適應(yīng)光學(xué)方案。這類技術(shù)嘗試使用更靈活的透鏡取代只有單一焦距的傳統(tǒng)VR組件,保證其能夠在1毫秒之內(nèi)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(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對于頭部位置有著嚴(yán)格的要求,導(dǎo)致應(yīng)用之路再次陷入僵局。
新加坡的一家廠商似乎更進(jìn)了一步,他們認(rèn)為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)還能再搏一把。2018年,他們開發(fā)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(jī)械制動器,再由后者快速調(diào)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(shù),其基本思路是從虛擬對象的增量區(qū)域內(nèi)發(fā)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(jìn)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(yīng)的像素數(shù)量就越大。
近年來,VR技術(shù)取得了快速且巨大的進(jìn)步。然而,VR設(shè)備還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有完善,用戶們?nèi)匀粫l繁報告自己出現(xiàn)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(xué)、醫(yī)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視覺系統(tǒng)的物理原理,再依照原理開發(fā)出完全契合的VR光學(xué)系統(tǒng)。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(yīng)該就在不遠(yuǎn)的未來。
來源:科技行者