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2017-02-15

让 VR 体验摆脱眼镜!斯坦福大学新技术使 VR 显示更加接近自然视觉

「自适应对焦显示」技术指明了一条让 VR 显示更加接近自然视觉、缓解 VR 眩晕的可行之路。

如果你是一位初次尝试 VR 的近视人士,在大多数 VR 体验店,为了能舒适地佩戴头显,店员会告诉你先摘下眼镜放进头显里,然后再把眼镜和头显一起戴上。其实对大多数重度(近视)的 VR 爱好者来说,戴着眼镜在 5 秒钟之内把 Vive 捆到脸上已经是驾轻就熟的基本技能。

但无论如何,在这个四线城市的电影院都提供 3D 眼镜夹片的时代,眼镜外面再罩一层眼镜始终是件十分奇怪的事。国内一些始终以提高用户体验为己任的硬件厂商当然无法容忍这种不科学的缺陷存在,目前市面上的很大一部分头显类设备,从 VR 一体机到头戴移动影院再到手机盒子,都配备视力和瞳距调节功能,有的更是号称支持「远视 200° 到近视 1100° 双眼独立调节」。

这些设备一般采取调节眼睛与屏幕之间距离的方法来改变焦距从而适应视力差异,有一定的效果,特别在头戴影院这种沉浸感较弱、画面距离固定的产品上,基本上能满足需要。但放到完全沉浸、需要大视场角同时视觉注意力需要不断变化的 VR 体验中,要适应使用者的视力差异同时尽可能贴近自然的视觉效果,就不是这么简单了。

在现实环境中,当我们的眼睛对焦于某一点时,视野内处于焦外的景物会自然被虚化,这符合大脑的认知规律。但在 VR 设备中,屏幕与人眼的距离是固定的,即使显示内容能够一定程度上模拟焦点变化(像 3D 电影)或定焦于无穷远,但离自然的视觉效果仍有相当大的差距,长时间使用难免会导致眼部疲劳以及头晕。

「一般连续使用 30~40 分钟,你就会感到眼部酸痛,进而产生头疼的症状。」斯坦福大学电子工程博士生 Nitish Padmanaban 说道,「你可能说不清到底是哪里不对,但确实会感到不适。这对将来人们体验更长的 VR 内容是很不利的。」

Padmanaban 是斯坦福大学的计算成像实验室的一员,他所在的研究团队正尝试使用动态的辅助变焦手段来解决这一问题,从而帮助不同视力状况的人更好的体验 VR,这一技术被称为「自适应对焦显示」(adaptive focus display)。

该技术包含硬件和软件两部分,软件部分识别视线位置和计算最佳焦距,硬件部分实现焦距变化。

在硬件部分,研究团队测试了两种方案,一种方案与前面提到的头显设备类似,通过调整目镜与显示屏之间的距离实现变焦;另一方案使用一种液体镜头,这种镜头可以通过调整镜头内液体压力来改变镜头屈光度,从而在不变移动镜头位置的情况下改变焦距。

液体镜头变焦示意图

软件部分是通过一套眼部跟踪系统,确定使用者视线正停留在屏幕的什么位置,并根据视线位置的画面(所看虚拟物体的远近)计算适合视线所在点的焦距,然后令硬件部分实时调整到这一焦距,从而模拟自然状态下,人眼在看不同距离物体时所经历的焦距变化,弥补屏幕位置固定导致眼部疲劳的问题。

「自适应对焦显示」可以适应近视、远视、老花等不同视力状况的用户,基本上,通过一定的调整,存在这三类视觉问题的人都可以利用该技术丢掉眼镜体验 VR,同时获得十分自然的视觉效果。不过,该技术技术无法弥补眼睛散光的问题。

实际上,这项研究的目标并不仅仅是让近视人士能不戴眼镜体验 VR,而在于让 VR 显示设备能达到高度的个人化,更高程度地契合使用者的视觉特征,同时使 VR 显示更加贴近人眼自然的视觉效果,「每个人都需要一套不同的光学模式,来帮助其获得尽可能好的 VR 体验。」电子工程助理教授 Gordon Wetzstein 表示。

这一技术目前还处在原型阶段,不过已经在 173 名视觉特征各不相同的志愿者身上进行了测试,证实确实很大程度上提升 VR 视觉体验。

不过,「自适应对焦显示」面临的问题也十分明显。简单来说,就是硬件响应和运算速度所带来的延迟问题。

人类视网膜记录图像所需的时间为 80 毫秒,观察画面时大脑产生认知大约需要 150 毫秒,也就是说,系统完成从识别视线位置到改变焦距所花费的时间最多不能超过 150 毫秒,否则人仍会感到视线模糊,这种焦距变化的延迟可能会更加加重晕眩感。同时,这一过程是动态不断重复的,想象一下在玩第一人称射击游戏时视线在目标之间高速移动场景,势必会给运算系统带来相当大负担。

说到运算负担,如果在运算资源有限的情况下,即使抛开视线跟踪和变焦执行时的延迟,软件部分的运算延迟也十分「可观」,要根据视线位置计算出合适的焦距,显然需要参考当前正在显示的 VR 内容,目前还不知道用于研究中使用的 VR 内容是预置了与这一技术相配套的焦距-位置参考系,还是通过算法实时计算视线位置的合适焦距,如果是后者,巨大的运算量可能让实现实时变焦变得十分艰难。但如果是前者,这一技术又会面临应用范围被局限的问题。

但无论如何,「自适应对焦显示」技术指明了一条让 VR 显示更加接近自然视觉、缓解 VR 眩晕的可行之路。

话再说回来,毕竟实验室技术离商用还有相当的距离,现有的应对近视的方法又不尽如人意,始终以提高用户体验为己任的硬件厂商一定火急火燎,难道就没有让用户摘掉眼镜舒适体验 VR 的方法了吗?其实,还是有的,比如随机附赠一张购买隐形眼镜的抵用券什么的……(作者:陈凯文@深圳湾)

A4
c+ 2018-03-18 13:41

很多年以后,当人们再次看到这个笨重的vr眼镜时的心情,大概就和我们现在回忆起当年别在腰间的随身dvd机是一样的吧

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