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      vr虛擬現實設備中存在哪些問題?

      發布時間:2020-11-17| 瀏覽次數:

        虛擬現實比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虛擬現實設備VR眼鏡在佩戴一段時間后會導致眩暈和人眼疲勞呢?其原因是多樣的,vr虛擬現實設備存在的問題主要包括如下3方面。

        vr虛擬現實設備中存在的問題:身已動而畫面未動。

        如果無法獲取VR眼鏡的姿態和平移信息,則無法感知到移動視差。身體移動后,觀 看視點的位置和觀看角度也隨之改變,但人眼看見的3D畫面并沒有相應的改變。這會 導致大腦在處理視覺信息和肢體運動信息時產生沖突,從而在一定程度上導致眩暈不適。

        vr虛擬現實設備中存在的問題:畫面已動而身未動。

        目前虛擬現實的應用還局限在一個非常有限的物理空間內。當畫面快速變化時,我 們身體的運動也應該與之匹配,但受到運動范圍的限制,身體并沒有產生對應幅度的運 動,從而在大腦中產生了肢體運動信息和視覺信息的沖突。例如,通過虛擬現實體驗過山 車時,觀看視點和角度在快速地變化,但身體卻保持不變。當VR畫面變化(過度)越快 時,大腦產生的沖突越明顯。

        上述兩種眩暈都是由視覺信息與肢體運動信息之間的沖突造成的,統稱為暈動癥。 產生暈動癥的vr虛擬現實設備中存在的問題:技術原因是多方面的。

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        空間位置定位和姿態角度定位的精度和速度。

        慣性測量裝置(Inertial Measurement Unit,IMU)是一種微機電(MEMS)模塊,也是 當前VR眼鏡測量角度姿態的主要技術手段。但IMU只能測量姿態角度,不能測量空間 位移。多個IMU組合可以實現空間位移測量,但積累誤差大且難以消除,暫不適用于 VR眼鏡。另一種定位技術是基于傳統攝像頭的SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)算法,可以同時實現空間位置定位和姿態角度定位且適用于復雜場景,但目前 SLAM算法在精度、速度和穩定性上都有待提高?;陔p目相機或深度相機的SLAM是 一個有價值的潛在研究方向。目前最實用的定位技術是HTC Vive Pre中應用的紅外激 光定位技術,硬件成本低且同時具備高精度低時延的空間位置定位和姿態角度定位,但其 應用局限于小范圍的空曠場景中。

        vr虛擬現實設備中存在的問題: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 應用在增強現實中,如 Google Glass、Hololens、Meta、Lumus、Magic Leap 等。虛擬現實 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)和有機自發光顯示屏(Organic Light-Emitting Diode,OLED)。目 前,LCD和OLED屏幕的刷新率普遍能達到60Hz以上,部分型號甚至能達到90Hz以 上。OLED采用自發光成像,因此余暉比LCD更小,上一幀圖像的殘影更小。

        vr虛擬現實設備中存在的問題:圖像渲染時延。

        虛擬現實所創建的模擬環境是經計算機圖形圖像學渲染生成得到。渲染的速度直接 由計算機性能決定,尤其依賴于計算機中的顯卡(Graphic Processing Unit,GPU)性肯g。 目前高性能的GPU渲染一個復雜場景已能達到全高清(Full HD)90fps以上。

        VR眼鏡的圖像刷新速度取決于上述3個技術指標的最低值。也就是說,上述3個 環節中,任何一個環節速度慢都會導致圖像刷新率降低,從而出現暈動癥。在前幾年,VR 設備廠商將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 定位和姿態角度定位的速度、顯示器件的刷新頻率、圖像渲染速率3個指標均能達到 90Hz,遠高于人眼時間暫留的刷新閾值(24Hz)。為什么還是會眩暈呢?有人懷疑是活動范圍有限導致身體移動的幅度與畫面變化幅度不一致。萬向跑步機無限延伸了活動范 圍,但眩暈的問題依然存在。由此可見,上述兩個方面是造成了眩暈的表象原因,并不是 根本原因。

        vr虛擬現實設備中存在的問題:聚焦與視差沖突。

        對照2. 3節中提到的3種主要深度信息,當前的頭戴顯示設備只提供了前兩種,即 “雙目視差”和“移動視差”,而沒有提供“聚焦模糊”。聚焦丟失(聚焦錯亂)是產生眩暈的 “罪魁禍首”?!熬劢鼓:闭娴木瓦@么重要嗎?眾所周知,雙眼能感知物體遠近,但其實單 眼也可以。當伸出手指,只用一只眼注視手指時,前方的景物模糊了;而當注視前方景物 時,手指變得模糊,這是由眼睛的睫狀肌屈張調節來實現的。眼睛聚焦在近處時,睫狀肌 收縮,近處的物體清晰而遠處的場景模糊;眼睛聚焦在遠處時,睫狀肌舒張,遠處的場景清 晰而近處的物體模糊。通過睫狀肌的屈張程度能粗略感知到物體的遠近,因此單眼也能 感知到立體三維信息。

        回到之前3D電影眩暈的問題,當觀看者坐在第一排中間位置時,雙眼到大熒幕距離 為10m且保持不變。當3D內容為遠處的高山時,雙目視差較小,會引導人眼注視于前方 幾百米處。而人眼接收的光線都來自l〇m處的大熒幕,左眼和右眼會自主地聚焦在10m 處的平面上以便能清晰地看見圖像。此時雙目的匯聚和睫狀肌的屈張水平不一致,從而 導致了人眼不適。同理,當3D內容為眼前lm處的一條蛇時,人眼仍然聚焦在10m處的 平面,從而產生類似的聚焦與視差沖突。

        vr虛擬現實設備中存在的問題:反恐精英舉例

        聚焦與視差之間的沖突比視覺信息與肢體運動信息之間的沖突更嚴重。舉個例子, 反恐精英(Counter-Strike,CS)是一款風靡世界的射擊類游戲,玩家以第一人稱視點在虛 擬環境中奔跑、跳躍和射擊。當畫面變化時,玩家仍然靜坐在計算機前,并沒有實際的跑 動和跳躍。此時玩家并沒有產生眩暈的感覺,甚至能長時間沉浸其中。其原因在于玩家經過一段時間的訓練以后,在大腦中建立了肢體運動與鼠標鍵盤操作之間的映射關系,比 如前后左右跑動與鍵盤W、S、A、D按鍵對應,跳躍與空格按鍵對應。因此,通過運動關系 的映射,視覺信息與肢體運動信息之間的沖突(暈動癥)得以大大減輕,但睫狀肌的屈張是 一種自發行為。睫狀肌會自主地屈張到正確的水平,以保證人眼聚焦在所關注物體的表 面。并且人眼總是趨向于得到最清晰的視覺成像,這也會促使睫狀肌處于與之匹配的屈 張水平。因此強迫睫狀肌處于非正確的屈張水平或被錯誤地引導到不匹配的屈張水平都 會導致上述的沖突,從而導致眩暈和人眼疲勞。通過訓練來建立類似于“反恐精英”中的 大腦映射是無法解決此類沖突的,只能通過頭戴顯示設備產生不同深度的圖片去引導人 眼自然地聚焦在遠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虛擬現實設備中存在的問題:VR眼鏡眩暈問題引發的思考

        VR眼鏡的嚴重眩暈問題引發了對另一個問題的思考,為什么3D電影在數小時后才 出現眩暈或人眼疲勞,而VR眼鏡的耐受時間一般只有5?20min,一方面是因為3D電影 已經普及多年,能適應3D電影的人群已經變得更加適應,不能適應3D電影的人群已經 不再去3D電影院,所以造成所有人都能耐受3D電影數小時的假象。另一方面,3D電影 是第三人稱視角觀看,而虛擬現實使觀看者處于第一人稱視角,暈動癥更加明顯。再一方 面,3D電影的熒幕距離人眼較遠(一般十米到幾十米不等),雖然聚焦錯亂的問題依然存 在,但睫狀肌始終處于較舒張的狀態。而VR眼鏡的屏幕經準直透鏡放大以后,一般等效 在較近處(一般2?5m),睫狀肌始終保持緊繃的狀態,人眼更易疲勞。上述3個原因導致 -了虛擬現實的耐受時間相比于3D電影縮短了很多。

        vr虛擬現實設備中存在的問題:導致近視

        眩暈是目前虛擬現實最大的技術瓶頸,大大限制了虛擬現實產業的長足發展,并且會對人眼造成傷害。在VR眼鏡佩戴的全過程中都會強迫人眼處于錯誤的聚焦平面,睫狀肌得不到連續自然的舒張和收縮。長此以往,睫狀肌彈性下降,失去了自主調節的能力, 從而導致近視。尤其對于12歲以下的兒童,人眼器官正處于生長發育階段,VR眼鏡會大大增加患近視的可能性。

        即使是成年人,長期佩戴vr虛擬現實設備也會導致視力下降。因此,虛擬現實應用于幼教領域需嚴格控制佩戴時間。幼兒應盡可能減少甚至不佩戴VR眼鏡,直到突 破這一技術瓶頸。


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