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越真实晕得越厉害?读懂虚拟现实晕动症

这篇文章由深圳湾(ShenzhenWare)整理自翁冬冬博士在深圳 HTC Vive 开发者峰会上的演讲,演讲题目为『虚拟现实晕动症产生机理与对策』。翁博士是北京理工大学光电学院的博士生导师,在虚拟现实领域有 16 年研究经验,虚拟现实晕动症是其主要研究方向之一。

对大部分虚拟现实爱好者来说,如果还有什么让他们在投身虚拟世界之前有一丝犹豫,应该就只剩下伴随虚拟体验而来的晕眩了。

这种晕眩的科学提法叫做虚拟现实晕动症,像晕车晕船等一般晕动症一样,虚拟现实晕动症是人体出于自我保护的正常反应。早期相关研究表明,初次体验虚拟现实的人有 80% 会在 20 分钟内出现不同程度的晕眩,随着近两年虚拟现实系统的完善,这一数字会有一定下降,但虚拟现实晕动症仍然十分普遍。

虚拟现实晕动症是怎么产生的?

谈到晕动症,就不得不提人的前庭系统。前庭系统在人体中主要负责平衡感,对加速度异常敏感,对前庭系统的不良刺激——如频繁不规律的加速度变化等——容易引发晕动症。

在虚拟现实中,晕动症的产生多是由于感知认知之间的冲突导致的。例如,当虚拟的视觉内容暗示身体在运动,而前庭系统却感知身体静止时,人就会产生晕眩感——虚拟现实场景下,这类视觉和平衡感之间的冲突是导致晕动症的常见原因。

此外,由于大脑在认识事物时具有预测机制,会根据已有经验假想和预测物体的运动,如果虚拟内容不符合现实经验,也会带来晕眩。

虚拟现实晕动症的症状有哪些?

说起晕车晕船,我们首先想到的一般是 头晕恶心 ,除恶心之外,虚拟现实晕动症的典型症状还包括 眼部不适方向障碍 。其中,眼部的不适是虚拟现实晕动症相比一般晕动症特有的症状,主要是由于现有的虚拟现实设备,即使显示效果再好,也仍然是单焦面的光学系统,长时间的使用会引起眼部的疲劳。

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虚拟现实晕动症的其他具体症状

另外,虚拟现实晕动症还会带来一系列能力的丧失,包括 平衡能力减弱方向感减弱 以及 真实感减弱 。其中真实感的减弱有多种表现形式,主要是指人在适应了虚拟现实中一些与现实生活不符的场景之后,回到现实中反而出现种种不适应的现象。

在虚拟现实中,哪些因素会导致晕动症?

虚拟现实中导致或影响晕动症产生的因素主要有系统、硬件、软件和个人因素四个方面。虚拟现实设备的制造者和内容开发者可以从这些方面进行系统和内容的优化,从而一定程度上避免或减弱在使用过程中出现的眩晕。

系统因素

虚拟现实系统导致晕动症的情况,主要是「运动输出能力缺失导致运动冲突」。

简单来说,是指虚拟现实系统不能支持人的身体与虚拟内容同步运动,导致人的身体运动与眼睛看到的虚拟信息不匹配,因而产生晕眩感。

现在的一些虚拟现实交互设备,包括 Vive 和 Oculus 配备的运动控制手柄、Omni、KAT 虚拟现实跑步机等,都旨在为虚拟现实系统提供运动输出能力,使得玩家可以配合虚拟内容进行身体动作,从而减少晕眩。

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Virtuix Omni 虚拟现实跑步机

硬件因素

硬件方面的影响因素如下图所示,在这里重点说明延迟和视场角(FOV)两大方面的影响。

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影响虚拟现实晕动症产生的硬件因素

系统延迟

延迟和卡顿是在体验虚拟现实时导致晕眩的常见原因,与延迟有关的硬件因素主要有 跟踪交互精度交互系统延迟运算性能限制 以及 显示器件刷新帧率 (显示延迟)。

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跟踪交互精度和交互系统延迟是指交互系统在跟踪人体动作信息时的误差和延迟;这些延迟进入运算之后,又受运算设备性能的限制被进一步放大;最终在显示器件呈现的,其实是整个虚拟现实系统延迟的累积。要降低整体的延迟,就必须从这个过程的各个阶段进行优化。

显示器视场角(FOV)

如今许多厂商和媒体都把视场角作为评价虚拟现实设备的重要参数,然而有实验结果表明,虚拟现实设备的视场角越大,越容易导致晕眩。

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a、b、c 分别为虚拟视场角小于、等于、大于物理视场角的情况

值得注意的是,当现实设备的物理视场角和虚拟内容的虚拟视场角不一致时(如上图),较大的虚拟视场角有助于降低晕眩程度。

软件因素

软件方面的具体因素非常繁多,可参照下表。在这里选取其中八个方面简单说明。

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影响虚拟现实晕动症产生的软件因素

视角选择

像 PC 游戏一样,第一人称视角的虚拟现实内容相比第三人称视角会更容易引起晕眩。但第三人称视角的沉浸感显然远远低于第一人称,在强调沉浸感的虚拟现实场景下,这一点需要做出权衡。

场景复杂程度及逼真程度

过于复杂的场景以及逼真的纹理会带来更多的眼睛和头部的转动,而眼睛在转动过程中需要关注更多细节,导致眼部以及大脑视觉神经疲劳,产生晕眩感。当然,这并不意味着必须牺牲对场景的精细刻画,例如,在布置场景时,可以通过使用大面积的颜色进行一定的区隔,减少眼睛对细节的不必要关注,有助于减少晕眩。

场景比例问题

这种情况是指虚拟内容尺寸比例与现实不符,例如虚拟角色的身高与玩家现实身高有较大差距时,会带来晕眩感。但由于人的适应能力很强,比例问题一般会由于人的适应而很快得到缓解,只不过在习惯了虚拟世界的比例之后,再返回现实可能又会产生不适感,需要再次重复这一适应过程。

主动被动问题

一个十分直观的例子是,一个坐车时经常晕车的人,自己开车反而不会晕车。这是由于人在驾驶汽车时对运动会有预判,身体会提前进行相应的调整,而在坐车时则缺乏这种预判和调整。在虚拟内容设计中,被动的相机路径运动十分容易导致晕眩,应当尽量让玩家主动进行操作和运动。即使是必须使用被动运动的情况,速度也应尽量放缓。

环境特性

某些特定的环境即使在现实中也容易让人产生晕眩,例如旋转的楼梯、昏暗狭小的走廊等等,这类环境应当避免出现的虚拟现实内容当中。

静态参照物

翁博士研究团队的实验结果表明,通过在视野中添加不随视线移动而移动的静态参照物,可以有效降低晕眩感。

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翁博士研究团队进行的静态参照物实验,视野中心放置了小黄人的 C 组晕眩程度最低

尽管这种方法会对视觉有一定的遮挡,但在一些具体场景中,例如需要快速运动的场景,可以通过在视野中心位置放置静态参照物(例如准星)的方式来减少晕眩。

摄像机不良运动

在 PC 游戏中,为了增强真实感,常常见到非常剧烈的视角运动,诸如摄像机的频繁、快速的缩放、移动、旋转、抖动等,而在虚拟内容中,出于显而易见的原因,这类摄像机不良运动还是尽量避免比较好。

个人因素

在晕动症的问题上,人和人之间的个体差异很大,不同人对相同内容的反应可能截然不同,例如老人、儿童、孕妇等可能更容易产生晕眩。翁博士建议,虚拟现实内容也应当像主题乐园的娱乐设施一样,针对不同人群的特征,增加不适合人群的说明以及安全建议。

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影响虚拟现实晕动症产生的个人因素

除了人群本身的固有特征之外,翁博士还强调了经验性和心理状态的影响。

经验性

对与同样的虚拟内容,已经体验过的人相较于第一次体验的人,其晕眩程度会轻很多。这主要与人对内容的适应程度和预判有关。

心理状态

当人处在焦虑等压力较大的心理状态时,会更容易晕眩。所以,在内容设计中,如果有时候剧情需要引发玩家比较极端的特定心理状态,就要尤其注意,避免同时出现容易引发晕眩的感觉刺激。

演讲刚开始时,翁博士就提醒道,关于虚拟现实内容,不外乎有三种情况:第一种是完美的虚拟现实体验,完全不会有晕眩,这当然也是我们一直追求的理想情况;第二种是很糟糕的虚拟现实内容,体验后马上感到明显的不适,这种内容也没什么问题,因为使用者会立刻放弃使用;而最可怕的的情况是,内容存在不易发觉的隐性问题,而开发者没有进行大规模长时间测试,最终对使用者造成长时间潜移默化的伤害。

虽然虚拟现实概念出现已有近三十年了,但真正飞速发展也是近两年的事。我们对虚拟现实的了解和认识,即使在学术领域,可能也落后于其本身的发展速度。希望虚拟现实设备制造者和内容开发者,在对新领域进行探索的同时,也抱有对新生事物应有的谨慎与敬畏。

文中截图来自翁冬冬演讲 PPT

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