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| 本文作者： 臺(tái)伯河 | 2015-08-23 10:25 |
【編者按】本文作者@臺(tái)伯河，VR行業(yè)從業(yè)者。
隨著虛擬現(xiàn)實(shí)漸漸興起，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在做虛擬現(xiàn)實(shí)的廠商也增多了起來(lái)。但是我經(jīng)常聽(tīng)到有體驗(yàn)者向我表示：他戴上國(guó)外大廠諸如Oculus、Sony和Valve的VR頭顯的時(shí)候，體驗(yàn)十分出色，但是戴上國(guó)產(chǎn)的VR頭顯，不動(dòng)的時(shí)候還好，一動(dòng)起來(lái)就會(huì)讓人極度眩暈，這是為什么？按照一般的看法，VR頭顯無(wú)非是戴在頭上的顯示器，暈動(dòng)（Motion Sickness）到底是怎么回事？
實(shí)際上人對(duì)于VR的眩暈很大程度上，與暈船暈車(chē)沒(méi)啥區(qū)別：人耳朵里的前庭系統(tǒng)所感受到的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和視覺(jué)系統(tǒng)不一致，就會(huì)在大腦里“打架”——人就會(huì)覺(jué)得暈乎乎的。總的來(lái)說(shuō)，暈動(dòng)癥分為三種：
你看到動(dòng)了，感覺(jué)沒(méi)有動(dòng)：比方說(shuō)打FPS游戲就是這種情況；
你感覺(jué)動(dòng)了，但是看到?jīng)]有動(dòng)：比方說(shuō)暈車(chē)暈船暈機(jī)就是這種情況；
感覺(jué)的運(yùn)動(dòng)情況與看到的運(yùn)動(dòng)情況不匹配：宇航員在做離心機(jī)訓(xùn)練的時(shí)候就會(huì)遇到這種情況。
對(duì)于VR，情況可能要更加復(fù)雜一些。用戶的全部視野都被VR頭顯所覆蓋，VR頭顯極力欺騙你已經(jīng)到了另一個(gè)世界，此時(shí)視覺(jué)系統(tǒng)所感受到的東西就不僅僅是視野中的一塊屏幕上顯示的畫(huà)面，而是整個(gè)視野，在這種情況下，VR導(dǎo)致的暈動(dòng)癥就會(huì)有很多種因素。
第一個(gè)因素當(dāng)然是你身體的運(yùn)動(dòng)和你的視野中所觀測(cè)到的運(yùn)動(dòng)不匹配。
比如說(shuō)你在坐VR的過(guò)山車(chē)的時(shí)候，視覺(jué)上是在高速運(yùn)動(dòng)，但是前庭系統(tǒng)卻表示你并沒(méi)有在運(yùn)動(dòng)，這時(shí)就會(huì)導(dǎo)致頭暈。從邏輯上，這與打FPS游戲造成的頭暈沒(méi)有什么區(qū)別，每個(gè)人都會(huì)有不同的感受。
第二個(gè)很重要的原因，是頭部運(yùn)動(dòng)和視覺(jué)觀測(cè)到的頭部運(yùn)動(dòng)的不匹配。
這才是今天我們要說(shuō)的重點(diǎn)，也是VR頭顯能夠從技術(shù)上加以改善的部分。其中這一點(diǎn)包括兩個(gè)部分：幀間延遲和幀內(nèi)延遲。
幀間延遲很好理解。人類(lèi)對(duì)于頭部轉(zhuǎn)動(dòng)和相對(duì)應(yīng)的視野的變化是極度敏感的。如果用戶的頭轉(zhuǎn)動(dòng)了，而相對(duì)的，視野轉(zhuǎn)動(dòng)有延遲，只要很微小的延遲就能感覺(jué)得到。有多微小呢？研究表明，頭動(dòng)和視野的延遲不能超過(guò)20ms，不然就會(huì)非常明顯。
不要小看20ms：實(shí)際上人頭部運(yùn)動(dòng)的速度很容易就能夠達(dá)到每秒上百的度數(shù)。假設(shè)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)速度為100度/秒（其實(shí)隨便轉(zhuǎn)頭就能達(dá)到這個(gè)速度），20ms的延遲意味著視野中物體的轉(zhuǎn)動(dòng)延遲為2度，把手伸直，豎起大拇指，大拇指的寬度大概就是2度。
20ms的延遲時(shí)間對(duì)于VR頭顯而言是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。首先設(shè)備需要足夠精確的辦法來(lái)測(cè)定頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的速度、角度和距離，這可以使用慣性陀螺儀（反應(yīng)靈敏但是精度差）或者光學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。然后計(jì)算機(jī)需要及時(shí)渲染出畫(huà)面，顯示器也需要及時(shí)地顯示出畫(huà)面，這一切都需要在20ms以內(nèi)完成。相應(yīng)的，如果每一幀顯示的時(shí)間距離上一幀超過(guò)20ms，那么人眼同樣也會(huì)感到延遲。所以，VR頭顯的畫(huà)面刷新率應(yīng)該超過(guò)50FPS，目前來(lái)說(shuō)60FPS是一個(gè)基準(zhǔn)線。要在這么短的時(shí)間內(nèi)搞定這一切，本身就是巨大的挑戰(zhàn)。
那么是不是單純把幀率提高到60FPS以上，拼死將延遲做到20ms以內(nèi)就可以了呢？其實(shí)除了幀間延遲之外，VR所造成的眩暈還有更加復(fù)雜的成因。下面我用幾張示意圖演示。
我們可以看到，左邊這張圖是真實(shí)的世界中，一個(gè)物體從左往右移動(dòng)時(shí)眼睛看到的情況：隨著時(shí)間的推移，物體的軌跡是一條線；而右邊的圖則是任何一種顯示器顯示出來(lái)的情況：物體的圖像在每一個(gè)點(diǎn)顯示一段時(shí)間之后，就跳到下一個(gè)點(diǎn)；它并非是連續(xù)的運(yùn)動(dòng)。
但是一旦當(dāng)人的頭部運(yùn)動(dòng)，那么人眼也會(huì)相對(duì)于顯示的物體有相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，這時(shí)物體在人眼中的軌跡就變了一個(gè)樣子：
右圖中頭部往左轉(zhuǎn)時(shí)，原來(lái)靜止不動(dòng)的物體的軌跡就變成了右圖這個(gè)樣子，不再是一個(gè)點(diǎn)，而是在每一幀結(jié)束之時(shí)跳回到它“應(yīng)該”在的位置。然而人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象則會(huì)保留上一幀和這一幀的圖像，于是圖像就會(huì)造成拖影，從而導(dǎo)致眩暈。
假如我們?nèi)匀患僭O(shè)60hz的刷新率，頭部轉(zhuǎn)動(dòng)速度為120度/秒，那么一幀內(nèi)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)為2度，以DK2的分辨率，一幀內(nèi)的延遲為19像素，這個(gè)時(shí)候頭顯顯示的圖像將會(huì)是相當(dāng)模糊的。而分辨率越高，這個(gè)問(wèn)題就越嚴(yán)重。以人眼理論極限分辨率來(lái)計(jì)算，一幀內(nèi)延遲會(huì)達(dá)到600像素。
這個(gè)問(wèn)題怎么解決呢？想要讓物體的圖像更加連續(xù)的移動(dòng)，最好也是最簡(jiǎn)單粗暴的辦法是提高刷新率。
從60到90，到120，到200……可能最后到1000hz，那時(shí)我們的視覺(jué)系統(tǒng)就徹底分辨不出真實(shí)或者是虛擬了。 但顯然我們現(xiàn)在無(wú)法將刷新率提高到1000hz，目前Oculus Rift CV1和HTC Vive采用了90hz刷新率，而Sony Project Morpheus采用的是120hz刷新率。
另外一個(gè)辦法，就是降低余暉（Persistence）。
余暉（Persistence）是一個(gè)在CRT顯示器時(shí)期的概念。CRT顯示器是電子束激發(fā)屏幕上的熒光粉發(fā)光，所以實(shí)際上CRT顯示每一幀之內(nèi)只有很短一段時(shí)間像素是發(fā)光的，其余時(shí)間像素是暗的，示意圖如下：
可以看到液晶顯示器，每一幀內(nèi)像素總是在發(fā)光，所以液晶顯示器就被稱(chēng)之為“全余暉”（Full Persistence）顯示。
中間這張圖只有一半時(shí)間像素發(fā)光；而右邊這張圖是理想情況下只有非常短的時(shí)間內(nèi)屏幕在發(fā)光，也就是“零余暉”（Zero Persistence）。由于人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，刷新率足夠高就不會(huì)察覺(jué)到屏幕只有每一幀很短時(shí)間發(fā)光。但是為了彌補(bǔ)亮度的不足，每一幀內(nèi)像素發(fā)光的強(qiáng)度要大大提升。
低余暉顯示對(duì)VR頭顯的意義在于，頭動(dòng)時(shí)物體的軌跡更加接近于物理世界的真實(shí)軌跡：
這時(shí)頭部運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的拖影會(huì)大大降低。假設(shè)假設(shè)同樣頭部轉(zhuǎn)動(dòng)為120度/秒，頭顯刷新率60hz，一幀內(nèi)屏幕發(fā)光2ms，以DK2分辨率和視角計(jì)，那么在發(fā)光2ms之內(nèi)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)人眼所觀察到的視覺(jué)延遲僅為2像素，眩暈感就隨之而去。
但是我們都知道LCD的基本顯示原理：通過(guò)讓液晶翻轉(zhuǎn)來(lái)選擇性透過(guò)光線。這意味著LCD很難使用低余暉顯示。
（TN-LCD的基本顯示原理）
液晶翻轉(zhuǎn)的響應(yīng)時(shí)間最快也有2-4ms，而背光原理也導(dǎo)致LCD不能做到全黑。相比之下傳統(tǒng)的CRT顯示器是天然的低余暉顯示。
想要解決這個(gè)問(wèn)題，VR頭顯必須使用主動(dòng)發(fā)光的顯示屏，比方說(shuō)OLED。由于其每個(gè)像素都是主動(dòng)發(fā)光的，所以O(shè)LED屏幕可以做到低余暉。
實(shí)際上，Oculus和Valve都使用了AMOLED的低余暉顯示屏，Sony則使用了自家的OLED顯示屏。目前國(guó)產(chǎn)的VR頭顯大多采用傳統(tǒng)的LCD顯示屏，所以其造成眩暈是很自然的。
但是低余暉也并不是什么都好。它也會(huì)帶來(lái)副作用：由于每一幀圖像顯示的時(shí)間都很短，所以移動(dòng)的物體顯示出的軌跡是斷續(xù)的，視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為其為不同的物體，而在顯示屏全亮的情況下，視覺(jué)系統(tǒng)則有足夠的時(shí)間將其界定為同一個(gè)物體。從這個(gè)意義來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)trade-off：在解決暈動(dòng)和拖影的同時(shí)，低余暉顯示會(huì)導(dǎo)致頭動(dòng)時(shí)物體閃爍和跳躍。
好了，說(shuō)了這么多，我想大家也都明白了：虛擬現(xiàn)實(shí)并不是在眼睛前面放兩塊顯示屏加一個(gè)陀螺儀就能搞定的。在此也希望國(guó)內(nèi)的廠商能夠沉下心做好產(chǎn)品，把虛擬現(xiàn)實(shí)的基本體驗(yàn)做好，我們才能夠像智能手機(jī)那樣從蘋(píng)果谷歌到小米華為。
聲明：本文在技術(shù)描述中參考了現(xiàn)Oculus首席科學(xué)家Michael Abrash的工作，部分圖片來(lái)自于他在Valve的博客，原文地址。
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