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   虛擬現實技(ji)術(shu)近年來迎來一(yi)(yi)波快(kuai)速發展，適用(yong)范圍(wei)也擴展到(dao)更多領域，引(yin)得眾多老牌巨頭紛紛參與。然而，VR技(ji)術(shu)自身仍(reng)存在一(yi)(yi)些(xie)極難解決的(de)(de)缺陷;如果無法攻克，技(ji)術(shu)的(de)(de)進一(yi)(yi)步(bu)普(pu)及將只(zhi)能是癡人(ren)說夢。目前，不少研究團隊都在從(cong)(cong)自身的(de)(de)思考出發試圖尋找(zhao)答案(an)，但其(qi)中最核心、影響最大的(de)(de)問(wen)題，應該從(cong)(cong)人(ren)類(lei)視覺的(de)(de)物理學原理說起。

VR的問題

   頭暈、惡心(xin)、失衡等癥狀在(zai)VR用(yong)戶當中(zhong)非(fei)常普遍。奧地利虛(xu)擬現實公司Junge R?mer展開的(de)一項(xiang)調(diao)查顯示(shi)，在(zai)991位受(shou)訪者當中(zhong)，超過75%的(de)人至少存在(zai)其中(zhong)一種癥狀。調(diao)查還顯示(shi)，這(zhe)(zhe)些(xie)負面影響對(dui)于首次使用(yong)VR設備的(de)用(yong)戶表現得尤為強烈。另外，這(zhe)(zhe)些(xie)癥狀的(de)持續時間與使用(yong)時長也(ye)保(bao)持著(zhu)幾乎線(xian)性的(de)關系(xi)。

   除了為(wei)娛樂用途提供更舒(shu)適的(de)VR體驗之外，科學(xue)家們還希望積極攻(gong)克這個(ge)難題，讓VR技術在醫(yi)學(xue)或教育等其他領域獲得廣(guang)泛(fan)的(de)適用性。

   所以，物(wu)理(li)學究竟能(neng)不能(neng)幫助我(wo)們改善VR體驗(yan)?

VR頭顯是怎么工作(zuo)的?

   為了理解物理原理在VR中的作(zuo)(zuo)用，我(wo)們不妨先聊聊VR頭顯與人眼的工作(zuo)(zuo)原理。

   當我們(men)(men)佩戴起這(zhe)些精美的(de)VR頭顯(xian)(xian)時，小小的(de)顯(xian)(xian)示(shi)(shi)器與(yu)眼球(qiu)距離很(hen)近，完全占(zhan)據了(le)我們(men)(men)的(de)整個視野。但是，我們(men)(men)的(de)眼睛無(wu)法(fa)聚焦(jiao)在極近的(de)物體(ti)上;為了(le)解決(jue)這(zhe)個難題，開發人員采用復雜的(de)光學(xue)系統，通過一組光學(xue)透鏡引導我們(men)(men)的(de)視線(xian)聚焦(jiao)在顯(xian)(xian)示(shi)(shi)對象身上。

   于是乎，顯示器(qi)發出的光亮(liang)就通(tong)過(guo)這個(ge)光學系統照(zhao)射到我(wo)們的眼部。之后，晶狀體對(dui)光線(xian)進行(xing)折(zhe)射，進一步把圖像(xiang)聚焦(jiao)在眼睛后部的視(shi)網膜上。接(jie)下來，部分視(shi)覺接(jie)收(shou)器(qi)就會將(jiang)電(dian)磁輻射信(xin)號(hao)轉換為電(dian)脈(mo)沖，再傳(chuan)輸給我(wo)們的大腦。

   在物理層面，我們可以使用(yong)射線模型(xing)來(lai)表現(xian)整個過(guo)程。

   通常，簡(jian)單的VR光學系統(tong)會由一(yi)組高精度透鏡(通常中(zhong)菲(fei)涅耳透鏡)構成，光線就(jiu)經由它(ta)們從(cong)顯示器傳(chuan)遞到您的眼部。

   這(zhe)些透鏡在設備(bei)中(zhong)意義重大(da)，因(yin)為如前所述，我(wo)們佩戴VR頭(tou)顯時眼(yan)球與顯示器的距離其(qi)實非常近，因(yin)此眼(yan)部的聚焦能力天然無法看清圖(tu)像。如果不(bu)相信，各位可(ke)以把手(shou)機屏幕慢(man)慢(man)拉近自己的雙眼(yan)，應該能明顯感受到(dao)自己的近距離聚焦極限(xian)在哪里(li)。另外(wai)，盯著過近的東西(xi)看一會兒(er)，大(da)家往(wang)往(wang)會感到(dao)眼(yan)部疲勞、頭(tou)昏腦脹。沒(mei)錯(cuo)，這(zhe)說明眼(yan)睛(jing)的結構不(bu)適合干這(zhe)活兒(er)。

   但使用VR頭顯，這么近的(de)距離下我們為什么也能看到清晰的(de)圖像?功臣正是這一組復雜的(de)光學元件，通(tong)過特定的(de)透鏡(jing)組合對(dui)光線(xian)進行必要(yao)校正。

   但(dan)這套光學系統并不完美，而且只要一(yi)丁點(dian)的(de)不匹(pi)配性(xing)就會(hui)對(dui)VR的(de)沉浸感產生巨大影響。實際上，正是由于這點(dian)微波(bo)的(de)瑕疵，用戶們才會(hui)大范(fan)圍出現失衡(heng)、視線渙(huan)散、頭(tou)暈、頭(tou)痛等問題。

聚攏調節問題(ti)

   要從(cong)根源上克服挑戰，首先需要解決其(qi)中最基礎的光學難題(ti)，即聚攏調(diao)節問(wen)題(ti)。大(da)(da)多數VR開發者認為，除了提高顯示器的分辨(bian)率與(yu)擴(kuo)大(da)(da)視野面(mian)積之外(wai)，聚攏調(diao)節正是阻(zu)礙VR產品(pin)全面(mian)普及的第三大(da)(da)障礙。

   舉起一根手指放到面前，然(ran)后盯住它看。這時候我們(men)的眼(yan)睛會完(wan)成兩項操作：首先，眼(yan)睛會快速(su)將視線聚焦在手指上(調節)，然(ran)后兩只眼(yan)球開始向(xiang)中心點移(yi)動(聚攏)。這種(zhong)聚攏過程，正是(shi)我們(men)觀看近處事(shi)物的必要(yao)過程。

   但VR頭顯的觀(guan)看設計(ji)并非如此。在我(wo)們(men)佩戴VR頭顯時，眼(yan)睛會始終聚焦在眼(yan)前的VR屏幕上，而聚攏過程(cheng)則由虛擬圖像的指向距離和位(wei)置來“假裝”實現。這會讓眼(yan)睛感覺很(hen)不自然、很(hen)不舒服，進而導致眼(yan)疲(pi)勞和頭暈惡心(xin)。

解決問題

   VR企業正努力解(jie)(jie)決聚攏調(diao)節(jie)問題。截至目前，所(suo)有嘗試都在向(xiang)我(wo)們(men)不(bu)斷強調(diao)，必須(xu)從視覺原理(li)層面尋找突破(po)口。換句話說，我(wo)們(men)沒辦(ban)法(fa)通過簡單的(de)計(ji)算或(huo)技術手段加以解(jie)(jie)決。所(suo)以在未來的(de)VR頭顯中，集(ji)成光(guang)學系統必須(xu)能(neng)夠(gou)準確地(di)模擬真(zhen)實(shi)世界中的(de)光(guang)線(xian)變化。

  解決(jue)問題(ti)的(de)初步思路，是在(zai)VR設備(bei)當中引入多(duo)個、而非(fei)一個顯示器(qi)。這些(xie)顯示器(qi)各自擁有不同的(de)焦(jiao)距，用(yong)于呈(cheng)現虛擬(ni)環境下(xia)的(de)不同區(qu)域。但這不僅(jin)會大大提升設備(bei)的(de)制造成本，同時也(ye)會令顯示內(nei)容的(de)對比度顯著下(xia)降。

  后(hou)來，VR開發者們又將(jiang)注意力轉向自適應光學方案。這類技術嘗試使用更靈活的透鏡取代只有單一焦距的傳(chuan)統VR組件(jian)，保(bao)證其能夠在(zai)1毫(hao)秒(miao)之內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(xian)示器之間(jian)后，科學家們(men)就(jiu)能(neng)創(chuang)造出(chu)更順暢自然、不(bu)適感更弱(ruo)的(de)虛擬(ni)體(ti)驗。但(dan)自適應光(guang)學系(xi)統(tong)對于頭部(bu)位置有著嚴(yan)格(ge)的(de)要求(qiu)，導致應用之路再次陷入僵局。

  新加坡(po)的(de)一(yi)家廠商似乎更進(jin)了(le)一(yi)步，他(ta)(ta)們認為自(zi)適(shi)應光學系統還能再(zai)搏一(yi)把。2018年，他(ta)(ta)們開發出一(yi)款(kuan)軟件(jian)，能夠確(que)定(ding)不同虛擬場(chang)景中的(de)最佳焦點(dian)位置。另(ling)外(wai)，他(ta)(ta)們還引入一(yi)款(kuan)紅外(wai)眼動儀來檢查用戶視線，并(bing)將信(xin)息提供給(gei)機械(xie)制動器，再(zai)由后者快速調整焦點(dian)定(ding)位。

 第三(san)種比(bi)較流(liu)行(xing)的(de)(de)解(jie)決方(fang)案就是(shi)所謂(wei)光場技術，其基本思路(lu)是(shi)從虛擬(ni)對象(xiang)的(de)(de)增量(liang)區域內(nei)發(fa)出兩條或多(duo)條光線，將(jiang)虛擬(ni)對象(xiang)的(de)(de)多(duo)個視圖(tu)投(tou)影至單(dan)一VR顯示器上(shang)。之(zhi)后，這些光線會被(bei)進一步投(tou)射到顯示器的(de)(de)像(xiang)素上(shang)，但缺點是(shi)我們(men)需(xu)要的(de)(de)光線越(yue)多(duo)，對應(ying)的(de)(de)像(xiang)素數(shu)量(liang)就越(yue)大。

  近年來，VR技術取得(de)了快速且巨(ju)大(da)的(de)(de)(de)進步。然(ran)而，VR設備還遠遠沒(mei)(mei)有(you)完(wan)善，用戶們仍然(ran)會頻繁(fan)報(bao)告自己出(chu)現了惡心(xin)、頭(tou)暈、眼疲勞等(deng)問(wen)題。而且只要一(yi)天沒(mei)(mei)能(neng)徹底(di)解決這些(xie)問(wen)題，我們就無(wu)法(fa)將VR真正引入科學、醫學、教育等(deng)領域。好消息是(shi)，目前的(de)(de)(de)工作(zuo)成果已(yi)經(jing)讓(rang)我們相信，克服困難的(de)(de)(de)一(yi)大(da)前提在(zai)于充(chong)分理(li)(li)解人類視覺(jue)系統(tong)的(de)(de)(de)物理(li)(li)原(yuan)理(li)(li)，再依照原(yuan)理(li)(li)開發出(chu)完(wan)全契合的(de)(de)(de)VR光(guang)學系統(tong)。已(yi)經(jing)有(you)眾多企業在(zai)這條(tiao)道(dao)路(lu)上傾情投(tou)入、奮力(li)前行，我們有(you)理(li)(li)由(you)相信趨近完(wan)美的(de)(de)(de)VR頭(tou)顯應該就在(zai)不遠的(de)(de)(de)未來。