眩晕和人眼疲劳真是虚拟现实的技术瓶颈?

2016-08-11 21:27:37来源: 爱范儿
    本文转载自《科技导报》2016年第15期。原文作者曹煊,是中国科学院自动化研究所博士研究生,美国南加州大学ICT实验室Visiting RA,研究方向为裸眼三维显示、光场的采集和显示、计算摄像、虚拟现实、增强现实。原标题为《虚拟现实的技术瓶颈》,转载时已获得作者授权。

  在技术变革和资本力量的双重推动下,虚拟现实(Virtual Reality)技术在近几年发展迅速,初步达到了可商业化的程度。虚拟现实和3D电影院都是通过双目视差实现三维成像,但虚拟现实提供了3D电影院所不具备的移动视差并提供了强烈的沉浸感。

  现阶段虚拟现实技术仍面临着一系列技术难题,其中眩晕和人眼疲劳尤其明显,是虚拟现实的技术瓶颈。本文从介绍三维视觉感知开始,分析了虚拟现实造成眩晕和人眼疲劳的根本原因。同时给出了解决这一技术瓶颈的答案——动态光场,并从光场采集和显示两方面分析了多种光场技术的优缺点。

  本文最后列举了增强现实(Augmented Reality)技术的三种实现形式,并从人与人交互和通信的角度对比了虚拟现实与增强现实在未来的发展趋势。

  1、虚拟现实一直存在

  近几年,虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术发展迅猛,商业化、市场化和产品化的趋势日益明显。然而,早在50多年前,科学家们就已经提出了虚拟现实的技术构想。美国计算机图形学之父Ivan Sutherland 在1968年开发了第一个图形可视化的 “虚拟现实” 设备,但在当时还不叫 “虚拟现实”,而是被称为“头戴显示” 或“头盔显示”(Head-Mounted Display,HMD)。就技术层面而言,现阶段的虚拟现实眼镜或者虚拟现实头盔仍可划分为 HMD 的范畴。

  2013年谷歌眼镜(Google Glass)面市,“虚拟现实” 这个术语开始进入公众视野。但当时的谷歌眼镜没有双目立体视觉,所以称为Google Glass而不是Google Glasses。尽管谷歌眼镜的整体显示效果低于同一时期的手机和电脑,但其新颖的成像方式引起了人们的极大关注。这背后揭示了人们对于已经沿用了二十多年的传统平面显示方式的审美疲劳和对新颖显示方式的强烈期待。

  总体来说,现阶段虚拟现实有三大显著特点(简称为 3I):

  沉浸感(Immersion)

  交互性(Interaction)

  构想性(Imagination)

  视觉是人类最敏感,捕获信息量最大的 “传感器”。VR眼镜隔绝了人眼接收外部视觉信息的通道,取而代之的是虚拟的视觉内容。当人眼受到来自VR眼镜的视觉刺激时,大脑会自动 “绘制” 出虚拟的环境,从而使人沉浸在了一个全新的环境中。

  相比于传统的显示方式,交互性并不是VR所特有的。电视可以借助遥控器交互,电脑可以借助鼠标键盘来输入。目前虚拟现实还没有统一的输入设备,交互方式可以根据虚拟场景来设置,更具灵活性和多样性。例如在士兵培训中,VR交互方式可以是一把枪;在模拟外科手术中,交互方式可以是手术刀。

  人们借助VR可以以第一人称视角去探索未知的环境,包括一些人类难以到达的环境,例如深海、外太空;甚至包括一些人类无法到达的或抽象的环境,例如细胞、黑洞、一个数学模型。VR技术给了我们一个可以去徜徉在任何环境中的机会。在这样一个从未到达的环境中,人类的视野和想象力得到了极大的延展。

  既然虚拟现实早就存在,但为什么直到现在才爆发呢?一方面是因为虚拟现实作为一种全新的显示方式,正好满足了人们对于信息可视化变革的期待。另一方面也是因为技术变革和资本力量的共同驱动。

  VR背后的支撑

  在此之前,大规模普及虚拟现实还只是一个美丽的梦,因为受到计算性能、工业集成化、可视化技术发展的限制。而近10年来,相关的技术得到了迅猛的发展,为VR的商业化和产品化奠定了技术基础。除此之外,有一股不可忽视的力量在推动VR加速发展,那就是大资本。

  (1)VR背后的技术变革

  显示技术的发展可以划分为4个阶段:平面2D>曲面2.5D>头戴显示3D>裸眼全息。

  人类生存的世界是三维的,但自从相机和显示器诞生以来,一直以二维平面的方式来记录和显示这个三维世界,这是一种降维后的表现方式。从早期的阴极射线管显示器(CRT)到轻薄的液晶显示器(LCD),从黑白显示到彩色显示,每一次技术变革都没有突破显示维度的限制。全世界的科学家们都在努力尝试打破这一困境,试图还原一个真实的3D世界。

  在虚拟现实技术出现在公众视野之前,有另外两种突破二维显示的技术出现在了消费市场,包括曲面2.5D显示和裸眼3D显示,但这两种技术都未能获得消费者的 “芳心”。

  曲面2.5D显示技术并没有带来信息可视化在维度上的突破,人们并不能从该显示器中感知到第三维度的信息(视觉深度感)。

  裸眼3D显示技术为观看者带来了视觉深度感,但目前的裸眼3D显示技术还存在很多的技术难点有待突破,包括分辨率损失严重、观看视角狭窄、相邻视点跳跃等。在可预见的未来,裸眼3D技术还无法达到令消费者满意的效果。

  因此,上述两种超二维显示技术都未能调和技术可行性和市场期待之间的矛盾。在这样的局面下,虚拟现实应运而生,它是技术可行性和市场期待的折中产物。

  VR背后的资本力量

  除了相关技术的变革和发展,资本力量的推动也是VR蓬勃发展的另一重要因素。如果说2013年谷歌眼镜的推出是行业大鳄窥视头戴显示巨大宝藏的一隅,那么2014年Facebook斥资20亿美金收购Oculus就是巨大资本撬开虚拟现实潘多拉魔盒的开始(注:Oculus 是一家专注于虚拟现实技术的公司)。

  随着资本的进入,更多的科研力量、工程技术以及3D内容开发都纷纷进入了该领域2016年被称为虚拟现实元年,HTC、Facebook、Sony等国际巨头,以及国内的部分虚拟现实公司都将自己的 VR 产品正式推向了市场。在这样的国际格局下,国内的部分资金也开始疯狂投向虚拟现实领域。

  为什么能感知到三维

  我们生活的世界是一个四维空间,包括水平维度、垂直维度、纵深维度和时间维度。例如在图书馆寻找一本书需要知道书籍处于第几排、第几列的书架,以及处于书架的第几层。并且还需要知道这本书是否已经借出,什么时候会出现在该书架。

  通过视觉观察物理世界时具有即时性,一般假设光线从环境中发出到人眼接收的时间为零,因此不用考虑时间维度,用前三个维度来描述所观察的世界。例如伸手拿杯子时,视觉系统会帮助我们判断杯子处于手的左边还是右边,上边还是下边,前面还是后面。

  在一个平面上可以很容易地感知到水平维度和垂直维度,但如何感知到第三维度——视觉深度呢?

  众所周知,双目视差是提供视觉深度的重要途径,但视觉深度不仅仅由双目差来体现,单眼也能感知到深度。深度信息(depth cues)有很多种,主要包括以下信息。

  1)双目视差(binocular parallax),也称为左右视差或双目汇聚。所观察的物体越近,视差越大(图 1),双眼汇聚角度越大(图 2);所观察的物体越远,视差越小,双眼汇聚角度越小。必须依靠双目协同工作才能感知到双目视差。

get(图 1 双目视差)
get2(图 2 双目汇聚)

  2)移动视差(motion parallax),当观察视点改变后,远近不同的物体在人眼中产生的位移会不同,如图 3 所示。经过相同的视点改变,远处的物体在人眼中产生的位移更小,近处的物体在人眼中产生的位移更大。双目和单目都可以感知到移动视差。

getget(图 3 移动视差)

  3)聚焦模糊(focus-blur),人眼的工作原理可以简化为一个照相机。当改变相机镜头的焦距时,相机可以聚焦在远近不同的平面上,从而使聚焦平面上的物体清晰成像,非聚焦平面的物体成像模糊。人眼的睫状肌就扮演着 “相机镜头” 的角色。

  如图 4 所示,当睫状肌紧绷时,人眼聚焦在近处平面;当睫状肌舒张时,人眼聚焦在远处平面。根据睫状肌的屈张程度,视觉系统可以判断出物体的相对远近。单目即可明显感知到聚焦模糊。

getget4(图4:聚焦模糊)

  除了上述3种主要的深度信息,大脑会根据一些视觉经验来判断物体远近,例如遮挡关系、近大远小关系;同时也会根据一些先验知识作为辅助判断,例如看到一个杯子,先验知识会告诉大脑杯子不会太远;若看到一座高山,先验知识会告诉大脑高山在很远的地方。

  VR的基本原理

  虚拟现实的三维成像原理并不复杂,其基本原理和3D电影院一致,如图5所示,都是给左右眼分别呈现不同的图像,从而产生双目视差。当大脑在合成左右眼的图像时,会根据视差大小判断出物体的远近。

虚拟现实眼镜不仅提供了双目视差,还提供了3D电影院所不具备的移动视差信息。当坐在3D电影院的第一排最左边和最右边的位置时,所看到的3D内容是一样的。但正确的3D成像方式应该是:坐在最左排的观看者看见物体的左侧面,坐

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关键字:虚拟现实  投影仪  VR

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/article_2016081156426.html
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