虚拟(ni)现实(shi)技术(shu)(shu)近年(nian)来迎来一波快速发(fa)展(zhan)，适用(yong)范围也扩(kuo)展(zhan)到(dao)更多领域，引(yin)得(de)众多老(lao)牌巨(ju)头纷纷参与。然而(er)，VR技术(shu)(shu)自(zi)身(shen)仍存在(zai)一些极难解(jie)决的(de)(de)(de)缺陷(xian);如(ru)果无(wu)法攻克，技术(shu)(shu)的(de)(de)(de)进一步普及将只能是痴人说(shuo)梦。目前，不少研究团队(dui)都(dou)在(zai)从(cong)(cong)自(zi)身(shen)的(de)(de)(de)思考出发(fa)试图寻找答(da)案，但(dan)其中最(zui)核心、影响最(zui)大的(de)(de)(de)问题(ti)，应(ying)该(gai)从(cong)(cong)人类视觉的(de)(de)(de)物理学原理说(shuo)起。

VR的问题

      头晕、恶心、失衡等症(zheng)状在VR用(yong)(yong)户当中非(fei)常(chang)普(pu)遍。奥地(di)利虚拟现实公司Junge Römer展(zhan)开(kai)的一项调查显示(shi)，在991位受访者当中，超过(guo)75%的人(ren)至少存在其中一种症(zheng)状。调查还(hai)显示(shi)，这些负面(mian)影响对于(yu)首次使用(yong)(yong)VR设备的用(yong)(yong)户表现得尤为(wei)强烈(lie)。另外，这些症(zheng)状的持续时(shi)间与使用(yong)(yong)时(shi)长也保持着几乎线性的关系。

      除了为(wei)娱乐用途(tu)提供更(geng)舒(shu)适的VR体验之(zhi)外，科学家们还(hai)希望积极攻克这个难题，让VR技术(shu)在医学或教育等其他(ta)领域(yu)获得广泛的适用性。

     所以(yi)，物(wu)理学究竟能(neng)不能(neng)帮助我们改(gai)善VR体(ti)验?

VR头(tou)显(xian)是怎么工作的?

      为了理(li)解物理(li)原(yuan)理(li)在VR中的作用，我们不(bu)妨先(xian)聊聊VR头(tou)显与人(ren)眼(yan)的工作原(yuan)理(li)。

当我(wo)(wo)们(men)(men)佩(pei)戴起这些精美(mei)的(de)VR头显时(shi)，小小的(de)显示(shi)(shi)器与眼球距离很近(jin)，完(wan)全占据了我(wo)(wo)们(men)(men)的(de)整个(ge)视(shi)野。但是，我(wo)(wo)们(men)(men)的(de)眼睛无法聚焦(jiao)在极近(jin)的(de)物体上(shang);为(wei)了解决这个(ge)难(nan)题，开发人员采用复杂(za)的(de)光学(xue)系统，通过(guo)一组光学(xue)透镜引导我(wo)(wo)们(men)(men)的(de)视(shi)线(xian)聚焦(jiao)在显示(shi)(shi)对象身上(shang)。

      于是(shi)乎(hu)，显示器发出的(de)(de)光亮就(jiu)通(tong)过(guo)这个(ge)光学系统照射到我们的(de)(de)眼(yan)部(bu)(bu)。之后，晶(jing)状体对光线进(jin)行折(zhe)射，进(jin)一(yi)步(bu)把图像聚焦(jiao)在眼(yan)睛后部(bu)(bu)的(de)(de)视网膜上。接下来，部(bu)(bu)分视觉接收器就(jiu)会将(jiang)电磁辐射信号(hao)转(zhuan)换为电脉冲(chong)，再传输给我们的(de)(de)大(da)脑(nao)。

      在(zai)物理层面，我们(men)可以使用射线模型来表现(xian)整个过(guo)程。

通(tong)常，简(jian)单(dan)的(de)VR光(guang)(guang)学系统会由一组高精(jing)度透镜(通(tong)常中菲涅(nie)耳(er)透镜)构(gou)成，光(guang)(guang)线就经由它们从显示(shi)器传递到您的(de)眼部。

      这(zhei)些透镜在设(she)备中意义重大，因为如(ru)前所述(shu)，我们佩戴VR头显时眼球与(yu)显示(shi)器(qi)的(de)距离(li)其实非(fei)常近(jin)，因此眼部的(de)聚(ju)焦能力天然(ran)无(wu)法看清图像。如(ru)果不相信(xin)，各(ge)位可以(yi)把手机屏幕慢慢拉近(jin)自己的(de)双眼，应该能明(ming)显感受到自己的(de)近(jin)距离(li)聚(ju)焦极限在哪(na)里。另(ling)外，盯着过近(jin)的(de)东西看一会儿(er)，大家(jia)往(wang)(wang)往(wang)(wang)会感到眼部疲(pi)劳、头昏(hun)脑(nao)胀。没(mei)错，这(zhei)说明(ming)眼睛的(de)结构不适合(he)干这(zhei)活儿(er)。

      但使用VR头显，这么近的(de)距离下我们(men)为什么也能看到(dao)清(qing)晰的(de)图(tu)像?功臣正是这一组复杂(za)的(de)光(guang)学元件，通过特定的(de)透镜组合(he)对光(guang)线进行(xing)必要(yao)校正。

      但(dan)这套光学系统并不(bu)完美，而且只要一(yi)丁(ding)点的不(bu)匹配性就会对(dui)VR的沉(chen)浸感(gan)产(chan)生(sheng)巨大影响。实际上(shang)，正是(shi)由(you)于这点微波的瑕疵，用(yong)户们才会大范围(wei)出(chu)现失衡、视线涣散、头晕、头痛(tong)等问(wen)题。

聚拢(long)调节问(wen)题

       要从根源上克服挑战，首先(xian)需(xu)要解决(jue)其中最基础的光学难题，即聚拢调节(jie)问题。大(da)多数(shu)VR开发者认为，除了(le)提高显示器的分辨率与(yu)扩(kuo)大(da)视(shi)野面积之外，聚拢调节(jie)正是阻(zu)碍(ai)VR产品(pin)全面普及的第三大(da)障碍(ai)。

      举起一根手指(zhi)放到面前，然后(hou)盯住它(ta)看。这(zhei)(zhei)时候我(wo)们的眼睛会完成两项操作：首先，眼睛会快速将(jiang)视线聚焦在手指(zhi)上(调节)，然后(hou)两只眼球开始向(xiang)中心(xin)点移(yi)动(dong)(聚拢(long))。这(zhei)(zhei)种聚拢(long)过程(cheng)，正是我(wo)们观看近处事物的必(bi)要过程(cheng)。

      但VR头显的(de)观看设计(ji)并非如此。在(zai)我们佩戴VR头显时，眼(yan)(yan)睛会始终(zhong)聚焦在(zai)眼(yan)(yan)前(qian)的(de)VR屏幕上(shang)，而(er)聚拢过程则由虚拟图像(xiang)的(de)指(zhi)向距(ju)离和位置(zhi)来“假装”实现。这会让眼(yan)(yan)睛感觉很(hen)不自然、很(hen)不舒服，进而(er)导致(zhi)眼(yan)(yan)疲劳和头晕(yun)恶(e)心(xin)。

解(jie)决问题

      VR企业(ye)正努(nu)力解决(jue)(jue)聚拢(long)调(diao)(diao)节问题(ti)。截至(zhi)目前，所(suo)有尝试都(dou)在向我们(men)不断强调(diao)(diao)，必(bi)须(xu)从视觉原理(li)层面寻(xun)找突破(po)口(kou)。换句话说(shuo)，我们(men)没(mei)办法通(tong)过简单的计算或技术手段加(jia)以解决(jue)(jue)。所(suo)以在未(wei)来的VR头显中(zhong)，集成光学系(xi)统必(bi)须(xu)能够准确(que)地模拟(ni)真实世界中(zhong)的光线(xian)变(bian)化(hua)。

       解决问题(ti)的(de)(de)(de)初步思路，是在VR设备当中(zhong)引入多个(ge)、而非(fei)一个(ge)显示器。这些显示器各(ge)自拥有不同的(de)(de)(de)焦距，用于呈现虚拟环(huan)境下的(de)(de)(de)不同区域。但(dan)这不仅(jin)会大(da)大(da)提升设备的(de)(de)(de)制造成本，同时也会令显示内容的(de)(de)(de)对比度(du)显著下降。

       后来，VR开发(fa)者们又将注意力转向自适(shi)应光学方(fang)案(an)。这类技术尝试(shi)使用更灵活(huo)的(de)透镜取代只(zhi)有单(dan)一(yi)焦距的(de)传(chuan)统VR组件，保证其能够在1毫秒(miao)之(zhi)内(nei)快速完成(cheng)不同焦距之(zhi)间(jian)的(de)切换。

       在(zai)将这些(xie)透镜安装在(zai)人(ren)眼与(yu)VR显(xian)示器之(zhi)间后，科学家们就能创造出更(geng)顺畅自然(ran)、不适(shi)感更(geng)弱的虚拟(ni)体验。但自适(shi)应光学系统对于头部位置有着严(yan)格(ge)的要求，导致应用之(zhi)路再次(ci)陷入僵局(ju)。

      新加(jia)坡的一(yi)(yi)家厂商似乎更(geng)进了一(yi)(yi)步，他们(men)认(ren)为自适应光学系统还能再搏一(yi)(yi)把。2018年，他们(men)开发(fa)出一(yi)(yi)款软件，能够确定不同虚拟场(chang)景(jing)中(zhong)的最佳(jia)焦点位(wei)置。另(ling)外，他们(men)还引入一(yi)(yi)款红外眼动(dong)仪(yi)来(lai)检查(cha)用户视(shi)线(xian)，并将信息提供给(ji)机(ji)械制动(dong)器，再由后者快速调整焦点定位(wei)。

      第三(san)种(zhong)比较流行的解决方案就是所谓光(guang)场(chang)技(ji)术，其基本思路是从虚(xu)(xu)拟对象的增量(liang)区(qu)域内发出两条或多条光(guang)线(xian)(xian)，将虚(xu)(xu)拟对象的多个视图投影至单一VR显示(shi)器(qi)上。之后，这些(xie)光(guang)线(xian)(xian)会(hui)被进一步(bu)投射(she)到显示(shi)器(qi)的像(xiang)素(su)上，但(dan)缺点是我们(men)需(xu)要的光(guang)线(xian)(xian)越(yue)多，对应的像(xiang)素(su)数量(liang)就越(yue)大。

       近年来(lai)，VR技(ji)术取得了快速且巨(ju)大(da)的(de)(de)进步(bu)。然(ran)(ran)而(er)，VR设备还远(yuan)远(yuan)没(mei)有(you)(you)完(wan)善，用户(hu)们(men)仍然(ran)(ran)会频繁报告自(zi)己(ji)出(chu)现了恶心、头晕(yun)、眼疲劳等(deng)问题。而(er)且只要一天(tian)没(mei)能彻(che)底解决这些问题，我们(men)就无(wu)法将(jiang)VR真正引入科学(xue)、医学(xue)、教(jiao)育等(deng)领(ling)域。好消(xiao)息是，目前的(de)(de)工作成果已(yi)经让我们(men)相信，克服困难的(de)(de)一大(da)前提在(zai)于充(chong)分理解人类视觉系统的(de)(de)物(wu)理原(yuan)(yuan)理，再依照原(yuan)(yuan)理开发出(chu)完(wan)全契合的(de)(de)VR光学(xue)系统。已(yi)经有(you)(you)众多企业(ye)在(zai)这条道(dao)路(lu)上(shang)倾情投入、奋力(li)前行，我们(men)有(you)(you)理由相信趋(qu)近完(wan)美的(de)(de)VR头显应该就在(zai)不远(yuan)的(de)(de)未来(lai)。

                                                                                                                                 来(lai)源(yuan)：科(ke)技行者