从人体舒适度讨论 VR 的发展方向(一)



VR 的发展历史与现在火爆的原因


在开始了解如何创建一个 VR 项目之前,首先需要了解 VR 的一些历史:1935 年,小说家 Stanley G.Weinbaum 在他的小说中描述了一款虚拟现实的眼镜,而该小说被认为是世界上率先提出虚拟现实概念的作品,故事描述的就是以眼镜为基础,包括视觉,嗅觉,触觉等全方位沉浸式体验的虚拟现实概念;1962 年,一部名为 Sensorama 的虚拟现实原形机被 Morton Heilig 所研发出来,后来被引用到空军,以虚拟现实的方式进行模拟飞行训练。


虽然随后从 1970 年到 1994 年的二十多年间,VR 领域有许多科学家相继投入研究,但从整体上看,还仅限于相关的技术研究,并没有生产出能交付到使用者手上的产品,直到 1994 始,日本游戏公司 Sega 和任天堂分别针对游戏产业而推出 Sega VR-1 和 Virtual Boy,在当时的确在业内引起了不小的轰动,但因为设备成本高,普及率并没有很大,但也为 VR 硬件进军 To C 市场打开了一扇门。






现今 VR 产业火爆,起因是因为 2012 年 Oculus Rift 通过国外知名众筹网站 KickStarter 募资到 160 万美元,后来被 Facebook 以 20 亿的天价收购。


而当时 Unity 作为第一个支持 Oculus 眼镜的引擎,吸引了大批开发者投身 VR 项目的开发中,正式打响了这场 VR 之战,但经历首轮引爆后,2014 年 Google 发布了 Google CardBoard,让消费者能以非常低廉的成本通过手机来体验 VR 世界,导致许多手游开发者纷纷加入这战局,点燃了今日的”Mobile VR”超级大战。


纵观当今市场,独立开发市场分析的结果显示,2017 年会有超过 1300 万的 VR 硬件产出,2020 年更会超出 5000 万台,总市值将达 30 亿美元。


VR 原理与现状深度探讨





就目前的 VR 体验而言,其最亟需解决的问题就是用户体验时的眩晕等身体不适问题。造成身体不适的原因很多,分辨率、画面重影、画面延迟、深度感知不连续等等。人体全身上下有许多感知器官,每时每刻都在不断地感知周围信息并将其传给大脑,大脑则不断对这些信息进行处理,判断其是否正常和“合理”。


所以,如果出现了大脑无法识别的冲突信息,大脑就会感到“困扰”,进而产生不适感。以上所说的“重影”、“延迟”和“深度感知不连续”等,均会让大脑感到“困扰”,因为这些现象在人们习以为常的生活中,几乎是不可能出现的。因此,这种情况极大加速了人们大脑的疲劳,甚至出现眩晕恶心等情况,进而大大缩短了 VR 体验的时间。


目前,沉浸式 VR 的体验时间一般为每次 5-10 分钟,连续体验不宜超过 30 分钟。如何提供给用户更棒的 VR 体验,已经成了当今 VR 领域首要的解决问题。就目前而言,主流的硬件厂商都在以下几个方向进行不懈的努力。


1.提高帧率、降低延迟度


一般来说,一款 PC/移动游戏的帧率只需保持在 30 帧/秒以上,即可满足玩家流畅游戏的需求。但对于沉浸式 VR 体验来说,30帧/秒是远远不够的。在此,需要先来解释一下延迟度这个概念。


所谓“延迟度”,是指从头戴式设备的传感器将方位信息传入 PC 机开始,经过 PC/移动设备的计算渲染,最后传回到显示屏进行显示的时间间隔,如图所示。所以,用户眼睛真正看到的实际上是几十毫米之前的场景。




设备延迟度的形成原因


如果延迟度过长,则用户实际看到的渲染场景是“一顿一顿”进行显示的,进而增加了 VR 体验的不适感,甚至让人感到眩晕。一般来说,延迟度需要小于 20ms 且越小越好,这样才能保证较好的 VR 体验。如果想要延迟度小于 20ms,则必须要保证帧率至少达到 75帧/秒,甚至 90帧/秒以上。而这种性能要求,即便是对于目前的主流家用 PC 机来说,也算的上是“苛刻”了。


虽然 Oculus 提出了 Async Timewarp 技术来尽可能在低帧率的情况下保证延迟度,但该方法目前仅能适用于“头部旋转”(Rotation Timewarp)和小范围慢速度的位置移动(Positional Timewarp)。对于快速移动和动态物体,该方法依然无效,如图所示。因此,这里需要郑重说明的是,在提高 VR 体验时,没有任何一种方法比“提高帧率”更为有效。


Async Timewarp 方法比较适合与静态场景的显示,但对于动态物体,则会出现“重影”效果,进而造成一定的视觉不适。



2.提升分辨率


目前的硬件需要在距离眼睛很近的位置观看,而屏幕贴近眼睛很容易产生纱窗效应,使眼睛能够看出屏幕中的格点,进而产生不适。坦白说,分辨率问题需要依靠硬件方面的提升才能得以解决。


VR 与人体的关系与注意事项


实际上人体对于环境的敏锐度是超乎想像的,一个舒适的 VR 体验远比一个美观的 VR 体验更为重要,因为不舒服的体验会导致人体产生强烈的排斥反应,进而造成晕眩或是不适,在目前 VR 项目的开发原则就是不要让帧率低于 75 或停止更新。




VR 摄像头的结构有如一双眼睛有两个平行绑定的摄像头,且各自拥有独立的校准功能,眼睛往前看的情况下视角(FOV)范围水平角度 122°,垂直角度 120°,如果是在颈部自由运动的范围下,视角(FOV)能达到水平角度 210°,垂直角度 160°。有趣的是,如果以每度 60x60 像素来算,我们认为当屏幕硬件技术进化到 12K x 10K 时,VR 体验将会非常趋近现实。


VR 体验最重要的环节还有声音,但许多开发者忽略了声音的重要性,试想把耳朵塞住看电影,整个体验将完全没有沉浸感,因为人的耳朵掌管许多事情,比如平衡感和声音传递,它们就像是两个心型麦克风,人脑通过声音传递到两只耳朵的强度和时间差计算出声音的方向,分析出这段声音是否需要被注意,进而决定你会选择转头往音源方向看去,还是会选择忽略这段声音。也因为人脑有这样的过滤机制,使得即使在很吵杂的环境里,如果有人叫你的名字,你也会特别容易感知到,这就是有名的”鸡尾酒效应”。


值得一提的是,人的耳朵接受到高频音(3000Hz 以上)时会下意识地往上看,而接受到低频音( 750Hz 以下)时会往下看,因此在制作 VR 项目时,这都是有利于引导使用者视线走向的好方法。


我们常常提到自己感觉到了速度,其实那指的是加速度,人体对于加速度是有感的。因此无论是飞机起飞或汽车加速时,你就能感觉到速度快速增加,但人体对于速度本身是感觉不到的,当飞机飞行到稳定速度时,你能在机舱内安稳地用餐而不会觉得飞机正在快速移动,而你现在也无法感觉到地球正在定速转动。


重力感是唯一我们无法欺骗身体的感觉,比如在某个 VR 项目中过山车翻转了 180 度,但实际上你的身体清楚地意识到其实你重力还是朝下,这时沉浸感就会降低,除非该项目真的配备了能转 180 度的座椅在体验时搭配使用。


人体比想像中更容易感到疲倦,因此如果长时间佩带 VR 设备,不管是眼睛还是手部都很容易产生疲劳感。在项目中,如果你过于频繁地引导玩家改变聚焦距离也很容易使人感到疲倦,因此,我们建议最佳的距离是 2M-5M。而以目前的硬件设备的性能来看,最佳的内容体验时间大约是 5 分钟-10 分钟,时间过长人体就会产生疲劳感。其他比如突然晃动镜头,突然停止画面或是帧率过低都会让人体产生不舒服的感觉。


其实人类并非像我们所想的那样,希望从 VR 体验中得到真实感,或者说对真实感的追求是有限度的,这是因为人的情感系统天生带有移情反应,会把所有虚拟现实世界里的物体和真实世界划上等号。如果在虚拟现实世界里看到一只朝着你摇尾巴的小狗,你会主观地认定它对你没有伤害而降低警觉性,而当你的项目是恐怖游戏时,这种移情反应将会是一个非常好的切入点。


给各位举一个有趣的例子,当你去商场买衣服的时候,你会发现假人永远都是没有头或是没有五官的几何图形,如果假人有张人脸反而会令客人产生恐惧感,这是 1970 年日本机器人专家森政弘,根据 Ernst Jentsch于1906 年发表的”恐怖谷心理学”所提出的理论:当人类看到与自己形体相当的假人时会产生正面情感,但是随着假人越接近真实的人类外表与行为时,人们则会突然产生剧烈的排斥与恐惧感,直到假人与正常人类外表与行为完全一致时才会消除这份恐惧感,这样的曲线呈现看起来像是一个山谷,因此称为”恐怖谷理论”。






正因为移情反应,开发恐怖游戏更适合使用真实世界的纹理而非卡通纹理,沉浸在虚拟现实内的玩家看到锋利的刀会不由自主的想要避开,看到熊熊烈火会想要绕开,因为有这样的反应,所以虚拟现实也非常适合用在军事训练上,让士兵习惯在危险的环境中生活。


VR 的目前市场分析与硬件介绍


针对当前 VR 开发的问题,我们可以从几个切入点进行讨论,虽然 VR 硬件百家争鸣,但目前市场上大概有三种类型的 VR 硬件设备。


第1种.必须接上电脑的沉浸头戴式设备(HMD),这种设备的代表就是 Oculus Rift,其优点在于沉浸体验很好,但由于是有线设备,其有限的移动范围是个障碍,因此特别合适于双脚不需移动的应用。设备本身价格比较昂贵,因此大多都是应用于 to B 的领域,现在该设备上的应用大多都是短时间体验,因此非常适合展览或是商业活动展示,但这类活动体验的人数较多,因此如何保持设备的卫生将是个大问题。


除此之外,还有 Sony 的 Morpheus(现改名为:PlayStation VR)和 HTV 的 Vive 等设备都即将问世。


第2种.需要自带手机的 VR(Mobile VR),现在人手一部手机,因此该类设备只要简单地将纸版折成的可容纳手机的盒子就能体验,代表性的设备有 Google Cardboard 及 Gear VR 或是国内的暴风魔镜,虽然体验没有 PC 头戴设备好,但由于成本低廉,易于携带,开发应用的流程也是手游开发者所熟悉的,因此今年有大量的开发者投入 Mobile VR 的开发行列,进而带动了整个VR 市场的发展。


第3种.整合 VR+AR 技术的新型态体验,进入 CR(Cinematic Reality)新领域,要知道市场上总是有往前冲的领头羊,谷歌所推出的 Google Glass 就是一个案例,虽然现已成为绝响,但也造就后面的 Microsoft Hololens, Magic Leap 等新型态眼镜的快速进化。


未来眼镜的轻量化,极强的电池续航力将是次世代 VR 设备的重点,但为了达到眼镜轻量化的效果,代价就是身上必须背着一个用来运算的硬件,如果运行效果能达到预期,我们将踏入次世代 VR 领域。


除了上述大类之外,也有许多不同的 VR 装置,比如投影 VR 或是全息 VR。敬请期待下一篇~


VIA  Unity



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