虚(xu)拟现实(shi)技(ji)(ji)术(shu)近年(nian)来迎来一(yi)波快速(su)发展，适用范围(wei)也扩展到(dao)更(geng)多领域，引得众多老牌巨头(tou)纷(fen)纷(fen)参(can)与。然而(er)，VR技(ji)(ji)术(shu)自(zi)身仍存在一(yi)些(xie)极难解决的(de)缺(que)陷;如果无(wu)法攻(gong)克，技(ji)(ji)术(shu)的(de)进一(yi)步普及将只能是痴(chi)人说梦(meng)。目前，不少研究团队都(dou)在从(cong)(cong)自(zi)身的(de)思考出(chu)发试(shi)图(tu)寻(xun)找答案，但其中最核心(xin)、影响最大的(de)问题(ti)，应该(gai)从(cong)(cong)人类视觉的(de)物理学原理说起。

VR的问题

      头(tou)晕、恶(e)心、失(shi)衡等症(zheng)(zheng)状在(zai)VR用户(hu)当中非常普(pu)遍(bian)。奥地利(li)虚拟现实公司Junge Römer展开的(de)一项(xiang)调查显(xian)示(shi)，在(zai)991位受(shou)访者当中，超过75%的(de)人至(zhi)少存(cun)在(zai)其(qi)中一种症(zheng)(zheng)状。调查还显(xian)示(shi)，这些负面(mian)影(ying)响(xiang)对于首次使(shi)(shi)用VR设备的(de)用户(hu)表现得尤为强(qiang)烈。另外，这些症(zheng)(zheng)状的(de)持续时间与(yu)使(shi)(shi)用时长(zhang)也保持着几(ji)乎线性的(de)关系。

      除了为娱乐(le)用途(tu)提供(gong)更舒(shu)适的VR体(ti)验(yan)之(zhi)外，科学(xue)家(jia)们还希望积极攻克(ke)这个难题，让VR技术在医学(xue)或教育等其他领域(yu)获得广(guang)泛的适用性(xing)。

     所以，物理(li)学究竟能(neng)不能(neng)帮助我们改善VR体验?

VR头显是怎么工作的?

      为了理解物(wu)理原(yuan)理在VR中(zhong)的(de)(de)作用，我(wo)们不妨先聊聊VR头显(xian)与人眼的(de)(de)工(gong)作原(yuan)理。

当我们佩戴起这些精美的VR头显时，小小的显示(shi)器(qi)与眼(yan)球(qiu)距离(li)很近，完全占(zhan)据了我们的整个视野。但是，我们的眼(yan)睛无法聚焦(jiao)在极近的物(wu)体上;为(wei)了解(jie)决这个难题(ti)，开发人(ren)员采用复杂的光学(xue)系(xi)统，通过一组光学(xue)透镜引导(dao)我们的视线聚焦(jiao)在显示(shi)对象身上。

      于是乎(hu)，显示(shi)器(qi)发出(chu)的光(guang)亮就通过这(zhei)个(ge)光(guang)学系统照射到我们(men)的眼部(bu)。之(zhi)后(hou)，晶(jing)状体对光(guang)线进行(xing)折射，进一步把图像聚焦在眼睛后(hou)部(bu)的视网(wang)膜上。接(jie)下(xia)来，部(bu)分视觉接(jie)收(shou)器(qi)就会将电(dian)磁辐射信(xin)号转换为电(dian)脉冲，再传(chuan)输给我们(men)的大(da)脑。

      在物理层面，我们可以使用射(she)线模型来表现整个过(guo)程。

 通常(chang)，简单的VR光(guang)学系统会由一组(zu)高精度(du)透镜(通常(chang)中(zhong)菲涅耳(er)透镜)构成，光(guang)线就经由它们从显(xian)示器传(chuan)递到(dao)您的眼部。

      这些透镜在(zai)设备中意义重(zhong)大，因为如前所述，我们佩戴VR头显(xian)时(shi)眼球(qiu)与显(xian)示器(qi)的(de)距离其实非常近，因此(ci)眼部的(de)聚(ju)(ju)焦能力天(tian)然无法看(kan)(kan)清(qing)图像。如果(guo)不(bu)(bu)相信，各位可以把手机屏幕慢(man)慢(man)拉(la)近自己的(de)双眼，应该能明显(xian)感受到(dao)自己的(de)近距离聚(ju)(ju)焦极限在(zai)哪(na)里。另外，盯着过近的(de)东西看(kan)(kan)一(yi)会儿(er)，大家往(wang)往(wang)会感到(dao)眼部疲劳(lao)、头昏脑(nao)胀(zhang)。没错，这说(shuo)明眼睛的(de)结构(gou)不(bu)(bu)适(shi)合干这活儿(er)。

      但使用(yong)VR头显(xian)，这(zhei)么(me)近(jin)的(de)距离(li)下我们为什么(me)也能(neng)看到(dao)清晰的(de)图像?功臣正(zheng)是这(zhei)一组(zu)复杂的(de)光(guang)学元件，通过特定的(de)透镜(jing)组(zu)合对光(guang)线进行必(bi)要校正(zheng)。

      但(dan)这套光学系统并(bing)不完美，而且只要一丁(ding)点(dian)(dian)的(de)不匹配(pei)性(xing)就会对(dui)VR的(de)沉浸感产生巨大影响(xiang)。实际上，正是由于(yu)这点(dian)(dian)微波的(de)瑕疵，用户们才会大范围出现失衡(heng)、视线(xian)涣散、头(tou)晕、头(tou)痛等问题。

聚(ju)拢调(diao)节问(wen)题(ti)

       要(yao)从(cong)根源上克服(fu)挑战(zhan)，首先需要(yao)解(jie)决其中最基础(chu)的光学难题，即聚拢调(diao)节问题。大(da)多数VR开(kai)发(fa)者认为(wei)，除了提高显示器的分辨率(lv)与扩大(da)视野面积之(zhi)外，聚拢调(diao)节正是(shi)阻碍VR产品全面普及的第三(san)大(da)障碍。

      举起一(yi)根手(shou)指放到(dao)面(mian)前，然后盯住它看。这(zhei)时候我(wo)们的眼(yan)睛(jing)会完成(cheng)两项操作：首先(xian)，眼(yan)睛(jing)会快速将视线聚焦在(zai)手(shou)指上(调节(jie))，然后两只眼(yan)球开始向中心点移动(聚拢)。这(zhei)种聚拢过(guo)程(cheng)，正(zheng)是(shi)我(wo)们观(guan)看近处事(shi)物(wu)的必要(yao)过(guo)程(cheng)。

      但VR头(tou)(tou)显的观看设计并非如此。在(zai)我们佩(pei)戴(dai)VR头(tou)(tou)显时，眼睛会(hui)始终聚焦在(zai)眼前的VR屏(ping)幕上，而聚拢过程则由虚拟(ni)图像的指(zhi)向距离和位(wei)置来“假装”实现。这(zhei)会(hui)让眼睛感(gan)觉很不自然(ran)、很不舒服，进而导(dao)致眼疲(pi)劳和头(tou)(tou)晕恶心。

解决问题

      VR企业正努(nu)力解决(jue)聚拢(long)调节问题。截至目前(qian)，所有(you)尝试都在向我们(men)不断强调，必须(xu)从视觉原(yuan)理层面寻找突破口。换(huan)句话说，我们(men)没办法通过简(jian)单(dan)的(de)计算或技术手段(duan)加(jia)以解决(jue)。所以在未来的(de)VR头(tou)显中，集成(cheng)光(guang)学(xue)系(xi)统(tong)必须(xu)能够准确地(di)模拟真(zhen)实世(shi)界中的(de)光(guang)线变化。

       解决问(wen)题的(de)初步思路，是在VR设备(bei)当(dang)中引(yin)入(ru)多个、而非一个显(xian)示(shi)器。这(zhei)(zhei)些(xie)显(xian)示(shi)器各自(zi)拥有不同的(de)焦距，用于呈现(xian)虚拟环境下的(de)不同区域(yu)。但这(zhei)(zhei)不仅会(hui)大大提升设备(bei)的(de)制造(zao)成本(ben)，同时(shi)也(ye)会(hui)令(ling)显(xian)示(shi)内容的(de)对比(bi)度显(xian)著下降(jiang)。

       后(hou)来(lai)，VR开发者们又将(jiang)注意(yi)力(li)转向自适应光学方案(an)。这类技(ji)术尝(chang)试(shi)使(shi)用(yong)更(geng)灵活的透镜(jing)取代(dai)只有单一焦距的传统VR组(zu)件，保证其能够在(zai)1毫秒之(zhi)内(nei)快速完成(cheng)不同焦距之(zhi)间(jian)的切换。

       在将这(zhei)些透镜安(an)装在人眼与VR显(xian)示器之间后，科学家(jia)们就能创造出(chu)更(geng)顺畅自(zi)然、不(bu)适(shi)感更(geng)弱的(de)虚拟体(ti)验。但(dan)自(zi)适(shi)应(ying)光学系统对于头部位置(zhi)有着(zhe)严格的(de)要求，导致应(ying)用(yong)之路再次陷入僵局(ju)。

      新加坡(po)的一(yi)家厂商似乎更进(jin)了一(yi)步，他(ta)们(men)认为自(zi)适应光(guang)学系(xi)统还(hai)能再搏一(yi)把(ba)。2018年，他(ta)们(men)开发(fa)出一(yi)款软件，能够确(que)定(ding)不同虚拟场景中的最佳焦点位置。另外，他(ta)们(men)还(hai)引入一(yi)款红外眼动(dong)仪(yi)来检查用户视线，并将信息(xi)提供给机械制(zhi)动(dong)器，再由后者(zhe)快(kuai)速(su)调整焦点定(ding)位。

      第三种比较流行的(de)解决方案(an)就是(shi)所谓(wei)光场技术(shu)，其(qi)基本(ben)思(si)路是(shi)从虚(xu)拟对象(xiang)的(de)增量区域内发(fa)出两条或(huo)多(duo)(duo)条光线(xian)，将(jiang)虚(xu)拟对象(xiang)的(de)多(duo)(duo)个视图投影至(zhi)单(dan)一(yi)VR显示器上(shang)。之后(hou)，这些光线(xian)会被进一(yi)步(bu)投射到显示器的(de)像素(su)(su)上(shang)，但缺点是(shi)我们需(xu)要的(de)光线(xian)越多(duo)(duo)，对应的(de)像素(su)(su)数量就越大。

       近(jin)年来，VR技术(shu)取得了(le)(le)快速且巨大的(de)进步。然而，VR设备还远(yuan)远(yuan)没有(you)(you)完(wan)善，用户(hu)们(men)仍(reng)然会频繁(fan)报告自己出现了(le)(le)恶心、头晕、眼疲劳(lao)等(deng)问题。而且只要一天没能(neng)彻底(di)解(jie)决这些问题，我(wo)(wo)们(men)就无法将VR真(zhen)正(zheng)引入科学(xue)、医学(xue)、教育(yu)等(deng)领域。好消息是(shi)，目前的(de)工作成(cheng)果已(yi)经(jing)让我(wo)(wo)们(men)相(xiang)信(xin)，克服困难的(de)一大前提在(zai)于(yu)充分理(li)(li)解(jie)人类视觉系统的(de)物理(li)(li)原理(li)(li)，再依照原理(li)(li)开发出完(wan)全(quan)契合的(de)VR光学(xue)系统。已(yi)经(jing)有(you)(you)众多(duo)企业(ye)在(zai)这条道路上倾情投入、奋力前行，我(wo)(wo)们(men)有(you)(you)理(li)(li)由相(xiang)信(xin)趋(qu)近(jin)完(wan)美的(de)VR头显应该就在(zai)不远(yuan)的(de)未来。

                                                                                                                                 来(lai)源：科技行者