虛擬現(xiàn)實(shí)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(duì)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(shí)公司Junge R?mer展開的一項(xiàng)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(shí)間與使用時(shí)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(yàn)之外，科學(xué)家們還希望積極攻克這個(gè)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(yàn)?
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(shí)，小小的顯示器與眼球距離很近，完全占據(jù)了我們的整個(gè)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(gè)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(gè)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(huì)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(gè)過程。
通常，簡單的VR光學(xué)系統(tǒng)會(huì)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?yàn)槿缜八觯覀兣宕鱒R頭顯時(shí)眼球與顯示器的距離其實(shí)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(huì)兒，大家往往會(huì)感到眼部疲勞、頭昏腦脹。沒錯(cuò)，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(diǎn)的不匹配性就會(huì)對VR的沉浸感產(chǎn)生巨大影響。實(shí)際上，正是由于這點(diǎn)微波的瑕疵，用戶們才會(huì)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(shí)候我們的眼睛會(huì)完成兩項(xiàng)操作：首先，眼睛會(huì)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(diǎn)移動(dòng)(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(jì)并非如此。在我們佩戴VR頭顯時(shí)，眼睛會(huì)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(shí)現(xiàn)。這會(huì)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(jì)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(shí)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(gè)、而非一個(gè)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(huì)大大提升設(shè)備的制造成本，同時(shí)也會(huì)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(yàn)。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(diǎn)位置。另外，他們還引入一款紅外眼動(dòng)儀來檢查用戶視線，并將信息提供給機(jī)械制動(dòng)器，再由后者快速調(diào)整焦點(diǎn)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(gè)視圖投影至單一VR顯示器上。之后，這些光線會(huì)被進(jìn)一步投射到顯示器的像素上，但缺點(diǎn)是我們需要的光線越多，對應(yīng)的像素?cái)?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?huì)頻繁報(bào)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。
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