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vr虛擬現實(shí)設備中存在哪些問(wèn)題?

發(fā)布時(shí)間:2020-11-17| 瀏覽次數:

  虛擬現實(shí)比3D電影提供了更豐富的三維感知信息,更逼近于人眼觀(guān)看三維物理世界的方式。但為什么vr虛擬現實(shí)設備VR眼鏡在佩戴一段時(shí)間后會(huì )導致眩暈和人眼疲勞呢?其原因是多樣的,vr虛擬現實(shí)設備存在的問(wèn)題主要包括如下3方面。

  vr虛擬現實(shí)設備中存在的問(wèn)題:身已動(dòng)而畫(huà)面未動(dòng)。

  如果無(wú)法獲取VR眼鏡的姿態(tài)和平移信息,則無(wú)法感知到移動(dòng)視差。身體移動(dòng)后,觀(guān) 看視點(diǎn)的位置和觀(guān)看角度也隨之改變,但人眼看見(jiàn)的3D畫(huà)面并沒(méi)有相應的改變。這會(huì ) 導致大腦在處理視覺(jué)信息和肢體運動(dòng)信息時(shí)產(chǎn)生沖突,從而在一定程度上導致眩暈不適。

  vr虛擬現實(shí)設備中存在的問(wèn)題:畫(huà)面已動(dòng)而身未動(dòng)。

  目前虛擬現實(shí)的應用還局限在一個(gè)非常有限的物理空間內。當畫(huà)面快速變化時(shí),我 們身體的運動(dòng)也應該與之匹配,但受到運動(dòng)范圍的限制,身體并沒(méi)有產(chǎn)生對應幅度的運 動(dòng),從而在大腦中產(chǎn)生了肢體運動(dòng)信息和視覺(jué)信息的沖突。例如,通過(guò)虛擬現實(shí)體驗過(guò)山 車(chē)時(shí),觀(guān)看視點(diǎn)和角度在快速地變化,但身體卻保持不變。當VR畫(huà)面變化(過(guò)度)越快 時(shí),大腦產(chǎn)生的沖突越明顯。

  上述兩種眩暈都是由視覺(jué)信息與肢體運動(dòng)信息之間的沖突造成的,統稱(chēng)為暈動(dòng)癥。 產(chǎn)生暈動(dòng)癥的vr虛擬現實(shí)設備中存在的問(wèn)題:技術(shù)原因是多方面的。

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  空間位置定位和姿態(tài)角度定位的精度和速度。

  慣性測量裝置(Inertial Measurement Unit,IMU)是一種微機電(MEMS)模塊,也是 當前VR眼鏡測量角度姿態(tài)的主要技術(shù)手段。但IMU只能測量姿態(tài)角度,不能測量空間 位移。多個(gè)IMU組合可以實(shí)現空間位移測量,但積累誤差大且難以消除,暫不適用于 VR眼鏡。另一種定位技術(shù)是基于傳統攝像頭的SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)算法,可以同時(shí)實(shí)現空間位置定位和姿態(tài)角度定位且適用于復雜場(chǎng)景,但目前 SLAM算法在精度、速度和穩定性上都有待提高?;陔p目相機或深度相機的SLAM是 一個(gè)有價(jià)值的潛在研究方向。目前最實(shí)用的定位技術(shù)是HTC Vive Pre中應用的紅外激 光定位技術(shù),硬件成本低且同時(shí)具備高精度低時(shí)延的空間位置定位和姿態(tài)角度定位,但其 應用局限于小范圍的空曠場(chǎng)景中。

  vr虛擬現實(shí)設備中存在的問(wèn)題:顯示器件的刷新頻率。

  目前頭戴顯示(HMD)的像源主要包括微投影儀和顯示屏兩種。其中,微投影儀主要 應用在增強現實(shí)中,如 Google Glass、Hololens、Meta、Lumus、Magic Leap 等。虛擬現實(shí) 主要采用小尺寸顯示屏(6寸以下)作為像源,其中,顯示屏又分為液晶顯示屏(Liquid Crystal Display,LCD)和有機自發(fā)光顯示屏(Organic Light-Emitting Diode,OLED)。目 前,LCD和OLED屏幕的刷新率普遍能達到60Hz以上,部分型號甚至能達到90Hz以 上。OLED采用自發(fā)光成像,因此余暉比LCD更小,上一幀圖像的殘影更小。

  vr虛擬現實(shí)設備中存在的問(wèn)題:圖像渲染時(shí)延。

  虛擬現實(shí)所創(chuàng )建的模擬環(huán)境是經(jīng)計算機圖形圖像學(xué)渲染生成得到。渲染的速度直接 由計算機性能決定,尤其依賴(lài)于計算機中的顯卡(Graphic Processing Unit,GPU)性肯g。 目前高性能的GPU渲染一個(gè)復雜場(chǎng)景已能達到全高清(Full HD)90fps以上。

  VR眼鏡的圖像刷新速度取決于上述3個(gè)技術(shù)指標的最低值。也就是說(shuō),上述3個(gè) 環(huán)節中,任何一個(gè)環(huán)節速度慢都會(huì )導致圖像刷新率降低,從而出現暈動(dòng)癥。在前幾年,VR 設備廠(chǎng)商將VR眼鏡的眩暈歸因于“圖像刷新太慢”。但目前最新的VR眼鏡在空間位置 定位和姿態(tài)角度定位的速度、顯示器件的刷新頻率、圖像渲染速率3個(gè)指標均能達到 90Hz,遠高于人眼時(shí)間暫留的刷新閾值(24Hz)。為什么還是會(huì )眩暈呢?有人懷疑是活動(dòng)范圍有限導致身體移動(dòng)的幅度與畫(huà)面變化幅度不一致。萬(wàn)向跑步機無(wú)限延伸了活動(dòng)范 圍,但眩暈的問(wèn)題依然存在。由此可見(jiàn),上述兩個(gè)方面是造成了眩暈的表象原因,并不是 根本原因。

  vr虛擬現實(shí)設備中存在的問(wèn)題:聚焦與視差沖突。

  對照2. 3節中提到的3種主要深度信息,當前的頭戴顯示設備只提供了前兩種,即 “雙目視差”和“移動(dòng)視差”,而沒(méi)有提供“聚焦模糊”。聚焦丟失(聚焦錯亂)是產(chǎn)生眩暈的 “罪魁禍首”?!熬劢鼓:闭娴木瓦@么重要嗎?眾所周知,雙眼能感知物體遠近,但其實(shí)單 眼也可以。當伸出手指,只用一只眼注視手指時(shí),前方的景物模糊了;而當注視前方景物 時(shí),手指變得模糊,這是由眼睛的睫狀肌屈張調節來(lái)實(shí)現的。眼睛聚焦在近處時(shí),睫狀肌 收縮,近處的物體清晰而遠處的場(chǎng)景模糊;眼睛聚焦在遠處時(shí),睫狀肌舒張,遠處的場(chǎng)景清 晰而近處的物體模糊。通過(guò)睫狀肌的屈張程度能粗略感知到物體的遠近,因此單眼也能 感知到立體三維信息。

  回到之前3D電影眩暈的問(wèn)題,當觀(guān)看者坐在第一排中間位置時(shí),雙眼到大熒幕距離 為10m且保持不變。當3D內容為遠處的高山時(shí),雙目視差較小,會(huì )引導人眼注視于前方 幾百米處。而人眼接收的光線(xiàn)都來(lái)自l〇m處的大熒幕,左眼和右眼會(huì )自主地聚焦在10m 處的平面上以便能清晰地看見(jiàn)圖像。此時(shí)雙目的匯聚和睫狀肌的屈張水平不一致,從而 導致了人眼不適。同理,當3D內容為眼前l(fā)m處的一條蛇時(shí),人眼仍然聚焦在10m處的 平面,從而產(chǎn)生類(lèi)似的聚焦與視差沖突。

  vr虛擬現實(shí)設備中存在的問(wèn)題:反恐精英舉例

  聚焦與視差之間的沖突比視覺(jué)信息與肢體運動(dòng)信息之間的沖突更嚴重。舉個(gè)例子, 反恐精英(Counter-Strike,CS)是一款風(fēng)靡世界的射擊類(lèi)游戲,玩家以第一人稱(chēng)視點(diǎn)在虛 擬環(huán)境中奔跑、跳躍和射擊。當畫(huà)面變化時(shí),玩家仍然靜坐在計算機前,并沒(méi)有實(shí)際的跑 動(dòng)和跳躍。此時(shí)玩家并沒(méi)有產(chǎn)生眩暈的感覺(jué),甚至能長(cháng)時(shí)間沉浸其中。其原因在于玩家經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的訓練以后,在大腦中建立了肢體運動(dòng)與鼠標鍵盤(pán)操作之間的映射關(guān)系,比 如前后左右跑動(dòng)與鍵盤(pán)W、S、A、D按鍵對應,跳躍與空格按鍵對應。因此,通過(guò)運動(dòng)關(guān)系 的映射,視覺(jué)信息與肢體運動(dòng)信息之間的沖突(暈動(dòng)癥)得以大大減輕,但睫狀肌的屈張是 一種自發(fā)行為。睫狀肌會(huì )自主地屈張到正確的水平,以保證人眼聚焦在所關(guān)注物體的表 面。并且人眼總是趨向于得到最清晰的視覺(jué)成像,這也會(huì )促使睫狀肌處于與之匹配的屈 張水平。因此強迫睫狀肌處于非正確的屈張水平或被錯誤地引導到不匹配的屈張水平都 會(huì )導致上述的沖突,從而導致眩暈和人眼疲勞。通過(guò)訓練來(lái)建立類(lèi)似于“反恐精英”中的 大腦映射是無(wú)法解決此類(lèi)沖突的,只能通過(guò)頭戴顯示設備產(chǎn)生不同深度的圖片去引導人 眼自然地聚焦在遠近不同的平面上才能從根本上解決這一沖突,從而解決眩暈和人眼 疲勞。

  vr虛擬現實(shí)設備中存在的問(wèn)題:VR眼鏡眩暈問(wèn)題引發(fā)的思考

  VR眼鏡的嚴重眩暈問(wèn)題引發(fā)了對另一個(gè)問(wèn)題的思考,為什么3D電影在數小時(shí)后才 出現眩暈或人眼疲勞,而VR眼鏡的耐受時(shí)間一般只有5?20min,一方面是因為3D電影 已經(jīng)普及多年,能適應3D電影的人群已經(jīng)變得更加適應,不能適應3D電影的人群已經(jīng) 不再去3D電影院,所以造成所有人都能耐受3D電影數小時(shí)的假象。另一方面,3D電影 是第三人稱(chēng)視角觀(guān)看,而虛擬現實(shí)使觀(guān)看者處于第一人稱(chēng)視角,暈動(dòng)癥更加明顯。再一方 面,3D電影的熒幕距離人眼較遠(一般十米到幾十米不等),雖然聚焦錯亂的問(wèn)題依然存 在,但睫狀肌始終處于較舒張的狀態(tài)。而VR眼鏡的屏幕經(jīng)準直透鏡放大以后,一般等效 在較近處(一般2?5m),睫狀肌始終保持緊繃的狀態(tài),人眼更易疲勞。上述3個(gè)原因導致 -了虛擬現實(shí)的耐受時(shí)間相比于3D電影縮短了很多。

  vr虛擬現實(shí)設備中存在的問(wèn)題:導致近視

  眩暈是目前虛擬現實(shí)最大的技術(shù)瓶頸,大大限制了虛擬現實(shí)產(chǎn)業(yè)的長(cháng)足發(fā)展,并且會(huì )對人眼造成傷害。在VR眼鏡佩戴的全過(guò)程中都會(huì )強迫人眼處于錯誤的聚焦平面,睫狀肌得不到連續自然的舒張和收縮。長(cháng)此以往,睫狀肌彈性下降,失去了自主調節的能力, 從而導致近視。尤其對于12歲以下的兒童,人眼器官正處于生長(cháng)發(fā)育階段,VR眼鏡會(huì )大大增加患近視的可能性。

  即使是成年人,長(cháng)期佩戴vr虛擬現實(shí)設備也會(huì )導致視力下降。因此,虛擬現實(shí)應用于幼教領(lǐng)域需嚴格控制佩戴時(shí)間。幼兒應盡可能減少甚至不佩戴VR眼鏡,直到突 破這一技術(shù)瓶頸。


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