總體來說VR遊戲玩完之後眩暈可以歸結為以下幾大點:3D眩暈症、座標系同步、左右眼差異與3D、幀數、視角、對焦偏差、解析度等等。其中除了3D眩暈症以及左右眼差異等玩家自身因素之外,其餘的原因都與目前VR硬體技術以及VR內容的開發有關。
3D眩暈症
絕大多數人的頭暈症狀,是和3D暈眩症類似的。3D眩暈症是指在電腦上玩3D遊戲,尤其是射擊類遊戲的時候,畫面的快速變換超過了大腦日常處理的速度而感到的一種不適感。耳朵裡的前庭(相當於生理的加速度儀)告訴大腦說身體沒有在運動,而視網膜傳入大腦的訊號卻好似身體正在運動,這樣的反差就造成了大腦資訊的不統一,進而產生了不適感。
座標系同步
影響VR體驗的一個重要因素是同步問題。VR裡的虛擬世界中雖然內容可以是虛構的,但物理定律卻和現實世界中一致。在使用 Oculus 之類的 VR 頭盔時,使用者頭部的空間運動資訊往往會被採集以用於下一幀影象的計算。這時就要求使用者身體的運動和影象裡場景的運動必須同步。比如你的頭轉動的時候,影象應該讓你感覺到虛擬世界中的主角也在同步轉頭。
問題的主要原因在於,從運動的發生到反饋在VR的螢幕上,是需要時間的。裝置的運動感知是透過微機電陀螺儀(Gyroscope)達到的,而陀螺儀內是有物理結構的,高速振子在裝置運動時因為科里奧利力產生偏移,電容的改變被捕獲成電壓訊號,產生的模擬訊號轉變成數字訊號,再傳輸到電腦上,電腦的程式從輸入埠讀取到這些資料,再去呼叫邏輯計算的程式計算下一步的內容,建好的模型最後再交給GPU渲染,渲染出來的影象因為流量過大(一段未壓縮的1440p 90hz影片流的資料量高達8Gb每秒),必須要再經過壓縮之後才能串流傳送到VR裝置上。VR裝置接收後,需要解碼,才能最終傳給顯示單元,使用者才能看到最終的影象。雖然如今電腦的處理速度已經非常驚人了,但是這些數模轉換,編碼解碼和埠的讀寫,還是需要一定的時間。
如何縮短處理過程造成的延時,也一直是多方研究的方向。不同廠家的具體研究方向我們不得而知,但是可以想象隨著VR的走熱,會有越來越多的財力人力投入到這些問題的研究中,其中就包括利用5G網路直接無線傳輸無壓縮的影象到裝置上,頭戴裝置獨立進行計算和渲染等等。我們可以大膽預料,在可以想象的未來,座標系同步問題將大大減小。
左右眼差異與3D
3D是VR體驗裡最重要的部分之一。簡單地說,左右眼螢幕顯示的內容稍有不同,畫面中前景和後景中物體透視投影的細微差別被大腦翻譯成物體的遠近,也就形成了3D的感覺 (原理下文中有解釋)。總之,要實現3D,也就要求左右眼對應螢幕所顯示的內容不能簡單複製,而是需要單獨計算。
左右眼影象中細小的差異,是需要和真實世界中的體驗一直的。而合理設定左右眼影象的偏差,是遊戲引擎設計者和遊戲設計者決定的,差別太大會難以聚焦造成不適,差別太少又不夠真實。
另一方面,左右眼的影象需要同步。比如你在玩開車的遊戲,每秒60幀,每幀的1/60秒中車都在前進,路邊的景色,比如樹木的位置和角度也就會有相應的變化。而如果這時候左右眼的同步沒有做好,左眼的樹木還在原地而右眼卻開始往前有了位移,這是兩眼影象的差別已經遠遠超過大腦處理的極限,很多物體會產生重影,給大腦的處理帶來極大的煩惱,和現實中的體驗完全不符,進而造成眩暈感。
幀數
影響使用者體驗的還有幀數 FPS(Frames per second),意思是每秒鐘顯示器重新整理了多少次,渲染了多少次畫面。
真實世界的幀數是無窮大的(當然人眼的接受頻率是有限的),而遊戲畫面的幀數也是玩家追求的一大指標。在傳統的電腦螢幕上,正常使用要求 FPS 保持在30以上。而要追求流暢,則一般要 求 FPS 至少達到 60。相關的研究顯示VR裝置內螢幕的重新整理率一般要達到 90FPS 才能得到比較自然的體驗。而更高的FPS則自然需要更多的計算能力。雖然 Oculus Rift 最高支援到 90FPS,但實際上,大部分軟體想要達到 60FPS 都比較困難。
影響幀數最直接的因素就是計算能力,而行動式裝置的計算能力目前還不足夠(除去 Hololens 這種直接在AR裝置內部計算的黑科技!),大部分的 VR 裝置都是透過裝置與電腦串流,利用電腦的顯示卡進行渲染再傳輸到裝置上現實的。而如果按照 VR 裝置 2K 的解析度,60Hz 的重新整理速度的標準來看,是非常巨大的一筆運算!而人們在這方面能做的,除了最佳化 VR 專用遊戲引擎之外,就只能等硬體效能的提升了。
視角
具體來說,在VR裝置中,除了螢幕之外的視域是全黑的,人眼只在小範圍內接收到原本屬於更大範圍的資訊。對於沒有太多3D遊戲經驗的人來說,這種與日常生活中物理世界中的不匹配就很容易導致頭暈。
為了模擬人眼的橢圓形視角,有些情況下螢幕上的影象並不會充滿螢幕,而是一個變形的正方形,這樣在經過 VR 裝置的透鏡之後,3米遠的等效螢幕上的圖案更接近人眼的真實視角。
高級別 VR 裝置的透鏡也不是簡單的凸透鏡。螢幕中每個畫素點距離人眼的距離並不一樣,靠近角落的畫素和中心處的畫素需要不同的焦距來同時匯聚在視網膜上。
對焦偏差
我們常說的人眼的對焦其實有兩個部分,一個是單眼的對焦,一個是雙眼的重合。
雙眼聚焦後,還有重要的一部就是雙眼的影象要儘量重合,這就需要控制眼球轉動的肌肉了。當視網膜上最敏感的黃點所對應的視線重合在物體上時,我們的大腦才能夠透過對比兩個影象的極其細微偏差來產生立體感。可以簡單的想象你像超人雙眼可以發出鐳射,你視覺的對焦點就是兩束鐳射重合的地方。
現階段 VR 裝置效果大致等同於一塊距離使用者3米遠1000寸的螢幕,也就是說晶狀體的焦距永遠是確定的(對應3米之外)。而在這個距離3米的螢幕上,需要透過兩眼影象的偏差來模擬立體感,就是需要在影象中引入不同物體的細小偏差。簡單的說,距離視點近的物體的雙眼偏差比較大,而距離視點越遠的物體的雙眼偏差越小。這些偏差會誘導人眼中控制眼球轉動的部分來操作,使影象重合,而這個過程加上重合影象的偏差,就會給人一個立體的感覺。
換句話說,在現實生活中,眼睛的對焦和視線重合的控制是完全同步的,晶狀體焦距在50釐米外,你的雙眼視線也就重合在50釐米外。而你在玩VR的時候,眼睛的對焦距離是一樣的都是3米,而雙眼視線的交點與你的距離是不停在變的!這種非自然的設定也會導致使用者的不適。
解析度
現階段VR外設的螢幕解析度普遍在2K(2048 × 1080)級別,螢幕大小在數釐米左右,按理說裝置的PPI非常之高應該很清楚才對,其實不然。在如此近的使用距離下,透鏡又把螢幕內容拉至120度左右,單位視角畫素數已經很低了。
低解析度帶來的,就是低真實度,而真實度越低,和真實世界相差越遠,也就越容易擾亂大腦機制。
總體來說VR遊戲玩完之後眩暈可以歸結為以下幾大點:3D眩暈症、座標系同步、左右眼差異與3D、幀數、視角、對焦偏差、解析度等等。其中除了3D眩暈症以及左右眼差異等玩家自身因素之外,其餘的原因都與目前VR硬體技術以及VR內容的開發有關。
3D眩暈症
絕大多數人的頭暈症狀,是和3D暈眩症類似的。3D眩暈症是指在電腦上玩3D遊戲,尤其是射擊類遊戲的時候,畫面的快速變換超過了大腦日常處理的速度而感到的一種不適感。耳朵裡的前庭(相當於生理的加速度儀)告訴大腦說身體沒有在運動,而視網膜傳入大腦的訊號卻好似身體正在運動,這樣的反差就造成了大腦資訊的不統一,進而產生了不適感。
座標系同步
影響VR體驗的一個重要因素是同步問題。VR裡的虛擬世界中雖然內容可以是虛構的,但物理定律卻和現實世界中一致。在使用 Oculus 之類的 VR 頭盔時,使用者頭部的空間運動資訊往往會被採集以用於下一幀影象的計算。這時就要求使用者身體的運動和影象裡場景的運動必須同步。比如你的頭轉動的時候,影象應該讓你感覺到虛擬世界中的主角也在同步轉頭。
問題的主要原因在於,從運動的發生到反饋在VR的螢幕上,是需要時間的。裝置的運動感知是透過微機電陀螺儀(Gyroscope)達到的,而陀螺儀內是有物理結構的,高速振子在裝置運動時因為科里奧利力產生偏移,電容的改變被捕獲成電壓訊號,產生的模擬訊號轉變成數字訊號,再傳輸到電腦上,電腦的程式從輸入埠讀取到這些資料,再去呼叫邏輯計算的程式計算下一步的內容,建好的模型最後再交給GPU渲染,渲染出來的影象因為流量過大(一段未壓縮的1440p 90hz影片流的資料量高達8Gb每秒),必須要再經過壓縮之後才能串流傳送到VR裝置上。VR裝置接收後,需要解碼,才能最終傳給顯示單元,使用者才能看到最終的影象。雖然如今電腦的處理速度已經非常驚人了,但是這些數模轉換,編碼解碼和埠的讀寫,還是需要一定的時間。
如何縮短處理過程造成的延時,也一直是多方研究的方向。不同廠家的具體研究方向我們不得而知,但是可以想象隨著VR的走熱,會有越來越多的財力人力投入到這些問題的研究中,其中就包括利用5G網路直接無線傳輸無壓縮的影象到裝置上,頭戴裝置獨立進行計算和渲染等等。我們可以大膽預料,在可以想象的未來,座標系同步問題將大大減小。
左右眼差異與3D
3D是VR體驗裡最重要的部分之一。簡單地說,左右眼螢幕顯示的內容稍有不同,畫面中前景和後景中物體透視投影的細微差別被大腦翻譯成物體的遠近,也就形成了3D的感覺 (原理下文中有解釋)。總之,要實現3D,也就要求左右眼對應螢幕所顯示的內容不能簡單複製,而是需要單獨計算。
左右眼影象中細小的差異,是需要和真實世界中的體驗一直的。而合理設定左右眼影象的偏差,是遊戲引擎設計者和遊戲設計者決定的,差別太大會難以聚焦造成不適,差別太少又不夠真實。
另一方面,左右眼的影象需要同步。比如你在玩開車的遊戲,每秒60幀,每幀的1/60秒中車都在前進,路邊的景色,比如樹木的位置和角度也就會有相應的變化。而如果這時候左右眼的同步沒有做好,左眼的樹木還在原地而右眼卻開始往前有了位移,這是兩眼影象的差別已經遠遠超過大腦處理的極限,很多物體會產生重影,給大腦的處理帶來極大的煩惱,和現實中的體驗完全不符,進而造成眩暈感。
幀數
影響使用者體驗的還有幀數 FPS(Frames per second),意思是每秒鐘顯示器重新整理了多少次,渲染了多少次畫面。
真實世界的幀數是無窮大的(當然人眼的接受頻率是有限的),而遊戲畫面的幀數也是玩家追求的一大指標。在傳統的電腦螢幕上,正常使用要求 FPS 保持在30以上。而要追求流暢,則一般要 求 FPS 至少達到 60。相關的研究顯示VR裝置內螢幕的重新整理率一般要達到 90FPS 才能得到比較自然的體驗。而更高的FPS則自然需要更多的計算能力。雖然 Oculus Rift 最高支援到 90FPS,但實際上,大部分軟體想要達到 60FPS 都比較困難。
影響幀數最直接的因素就是計算能力,而行動式裝置的計算能力目前還不足夠(除去 Hololens 這種直接在AR裝置內部計算的黑科技!),大部分的 VR 裝置都是透過裝置與電腦串流,利用電腦的顯示卡進行渲染再傳輸到裝置上現實的。而如果按照 VR 裝置 2K 的解析度,60Hz 的重新整理速度的標準來看,是非常巨大的一筆運算!而人們在這方面能做的,除了最佳化 VR 專用遊戲引擎之外,就只能等硬體效能的提升了。
視角
具體來說,在VR裝置中,除了螢幕之外的視域是全黑的,人眼只在小範圍內接收到原本屬於更大範圍的資訊。對於沒有太多3D遊戲經驗的人來說,這種與日常生活中物理世界中的不匹配就很容易導致頭暈。
為了模擬人眼的橢圓形視角,有些情況下螢幕上的影象並不會充滿螢幕,而是一個變形的正方形,這樣在經過 VR 裝置的透鏡之後,3米遠的等效螢幕上的圖案更接近人眼的真實視角。
高級別 VR 裝置的透鏡也不是簡單的凸透鏡。螢幕中每個畫素點距離人眼的距離並不一樣,靠近角落的畫素和中心處的畫素需要不同的焦距來同時匯聚在視網膜上。
對焦偏差
我們常說的人眼的對焦其實有兩個部分,一個是單眼的對焦,一個是雙眼的重合。
雙眼聚焦後,還有重要的一部就是雙眼的影象要儘量重合,這就需要控制眼球轉動的肌肉了。當視網膜上最敏感的黃點所對應的視線重合在物體上時,我們的大腦才能夠透過對比兩個影象的極其細微偏差來產生立體感。可以簡單的想象你像超人雙眼可以發出鐳射,你視覺的對焦點就是兩束鐳射重合的地方。
現階段 VR 裝置效果大致等同於一塊距離使用者3米遠1000寸的螢幕,也就是說晶狀體的焦距永遠是確定的(對應3米之外)。而在這個距離3米的螢幕上,需要透過兩眼影象的偏差來模擬立體感,就是需要在影象中引入不同物體的細小偏差。簡單的說,距離視點近的物體的雙眼偏差比較大,而距離視點越遠的物體的雙眼偏差越小。這些偏差會誘導人眼中控制眼球轉動的部分來操作,使影象重合,而這個過程加上重合影象的偏差,就會給人一個立體的感覺。
換句話說,在現實生活中,眼睛的對焦和視線重合的控制是完全同步的,晶狀體焦距在50釐米外,你的雙眼視線也就重合在50釐米外。而你在玩VR的時候,眼睛的對焦距離是一樣的都是3米,而雙眼視線的交點與你的距離是不停在變的!這種非自然的設定也會導致使用者的不適。
解析度
現階段VR外設的螢幕解析度普遍在2K(2048 × 1080)級別,螢幕大小在數釐米左右,按理說裝置的PPI非常之高應該很清楚才對,其實不然。在如此近的使用距離下,透鏡又把螢幕內容拉至120度左右,單位視角畫素數已經很低了。
低解析度帶來的,就是低真實度,而真實度越低,和真實世界相差越遠,也就越容易擾亂大腦機制。