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vr虚拟现实设备中存在哪些问题?

发布时间:2020-11-17| 浏览次数:

  虚拟现实比3D电影提供了更丰富的三维感知信息,更逼近于人眼观看三维物理世界的方式。但为什么vr虚拟现实设备VR眼镜在佩戴一段时间后会导致眩晕和人眼疲劳呢?其原因是多样的,vr虚拟现实设备存在的问题主要包括如下3方面。

  vr虚拟现实设备中存在的问题:身已动而画面未动。

  如果无法获取VR眼镜的姿态和平移信息,则无法感知到移动视差。身体移动后,观 看视点的位置和观看角度也随之改变,但人眼看见的3D画面并没有相应的改变。这会 导致大脑在处理视觉信息和肢体运动信息时产生冲突,从而在一定程度上导致眩晕不适。

  vr虚拟现实设备中存在的问题:画面已动而身未动。

  目前虚拟现实的应用还局限在一个非常有限的物理空间内。当画面快速变化时,我 们身体的运动也应该与之匹配,但受到运动范围的限制,身体并没有产生对应幅度的运 动,从而在大脑中产生了肢体运动信息和视觉信息的冲突。例如,通过虚拟现实体验过山 车时,观看视点和角度在快速地变化,但身体却保持不变。当VR画面变化(过度)越快 时,大脑产生的冲突越明显。

  上述两种眩晕都是由视觉信息与肢体运动信息之间的冲突造成的,统称为晕动症。 产生晕动症的vr虚拟现实设备中存在的问题:技术原因是多方面的。

vr虚拟现实设备中存在哪些问题?

  空间位置定位和姿态角度定位的精度和速度。

  惯性测量装置(Inertial Measurement Unit,IMU)是一种微机电(MEMS)模块,也是 当前VR眼镜测量角度姿态的主要技术手段。但IMU只能测量姿态角度,不能测量空间 位移。多个IMU组合可以实现空间位移测量,但积累误差大且难以消除,暂不适用于 VR眼镜。另一种定位技术是基于传统摄像头的SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)算法,可以同时实现空间位置定位和姿态角度定位且适用于复杂场景,但目前 SLAM算法在精度、速度和稳定性上都有待提高。基于双目相机或深度相机的SLAM是 一个有价值的潜在研究方向。目前最实用的定位技术是HTC Vive Pre中应用的红外激 光定位技术,硬件成本低且同时具备高精度低时延的空间位置定位和姿态角度定位,但其 应用局限于小范围的空旷场景中。

  vr虚拟现实设备中存在的问题:显示器件的刷新频率。

  目前头戴显示(HMD)的像源主要包括微投影仪和显示屏两种。其中,微投影仪主要 应用在增强现实中,如 Google Glass、Hololens、Meta、Lumus、Magic Leap 等。虚拟现实 主要采用小尺寸显示屏(6寸以下)作为像源,其中,显示屏又分为液晶显示屏(Liquid Crystal Display,LCD)和有机自发光显示屏(Organic Light-Emitting Diode,OLED)。目 前,LCD和OLED屏幕的刷新率普遍能达到60Hz以上,部分型号甚至能达到90Hz以 上。OLED采用自发光成像,因此余晖比LCD更小,上一帧图像的残影更小。

  vr虚拟现实设备中存在的问题:图像渲染时延。

  虚拟现实所创建的模拟环境是经计算机图形图像学渲染生成得到。渲染的速度直接 由计算机性能决定,尤其依赖于计算机中的显卡(Graphic Processing Unit,GPU)性肯g。 目前高性能的GPU渲染一个复杂场景已能达到全高清(Full HD)90fps以上。

  VR眼镜的图像刷新速度取决于上述3个技术指标的最低值。也就是说,上述3个 环节中,任何一个环节速度慢都会导致图像刷新率降低,从而出现晕动症。在前几年,VR 设备厂商将VR眼镜的眩晕归因于“图像刷新太慢”。但目前最新的VR眼镜在空间位置 定位和姿态角度定位的速度、显示器件的刷新频率、图像渲染速率3个指标均能达到 90Hz,远高于人眼时间暂留的刷新阈值(24Hz)。为什么还是会眩晕呢?有人怀疑是活动范围有限导致身体移动的幅度与画面变化幅度不一致。万向跑步机无限延伸了活动范 围,但眩晕的问题依然存在。由此可见,上述两个方面是造成了眩晕的表象原因,并不是 根本原因。

  vr虚拟现实设备中存在的问题:聚焦与视差冲突。

  对照2. 3节中提到的3种主要深度信息,当前的头戴显示设备只提供了前两种,即 “双目视差”和“移动视差”,而没有提供“聚焦模糊”。聚焦丢失(聚焦错乱)是产生眩晕的 “罪魁祸首”。“聚焦模糊”真的就这么重要吗?众所周知,双眼能感知物体远近,但其实单 眼也可以。当伸出手指,只用一只眼注视手指时,前方的景物模糊了;而当注视前方景物 时,手指变得模糊,这是由眼睛的睫状肌屈张调节来实现的。眼睛聚焦在近处时,睫状肌 收缩,近处的物体清晰而远处的场景模糊;眼睛聚焦在远处时,睫状肌舒张,远处的场景清 晰而近处的物体模糊。通过睫状肌的屈张程度能粗略感知到物体的远近,因此单眼也能 感知到立体三维信息。

  回到之前3D电影眩晕的问题,当观看者坐在第一排中间位置时,双眼到大荧幕距离 为10m且保持不变。当3D内容为远处的高山时,双目视差较小,会引导人眼注视于前方 几百米处。而人眼接收的光线都来自l〇m处的大荧幕,左眼和右眼会自主地聚焦在10m 处的平面上以便能清晰地看见图像。此时双目的汇聚和睫状肌的屈张水平不一致,从而 导致了人眼不适。同理,当3D内容为眼前lm处的一条蛇时,人眼仍然聚焦在10m处的 平面,从而产生类似的聚焦与视差冲突。

  vr虚拟现实设备中存在的问题:反恐精英举例

  聚焦与视差之间的冲突比视觉信息与肢体运动信息之间的冲突更严重。举个例子, 反恐精英(Counter-Strike,CS)是一款风靡世界的射击类游戏,玩家以第一人称视点在虚 拟环境中奔跑、跳跃和射击。当画面变化时,玩家仍然静坐在计算机前,并没有实际的跑 动和跳跃。此时玩家并没有产生眩晕的感觉,甚至能长时间沉浸其中。其原因在于玩家经过一段时间的训练以后,在大脑中建立了肢体运动与鼠标键盘操作之间的映射关系,比 如前后左右跑动与键盘W、S、A、D按键对应,跳跃与空格按键对应。因此,通过运动关系 的映射,视觉信息与肢体运动信息之间的冲突(晕动症)得以大大减轻,但睫状肌的屈张是 一种自发行为。睫状肌会自主地屈张到正确的水平,以保证人眼聚焦在所关注物体的表 面。并且人眼总是趋向于得到最清晰的视觉成像,这也会促使睫状肌处于与之匹配的屈 张水平。因此强迫睫状肌处于非正确的屈张水平或被错误地引导到不匹配的屈张水平都 会导致上述的冲突,从而导致眩晕和人眼疲劳。通过训练来建立类似于“反恐精英”中的 大脑映射是无法解决此类冲突的,只能通过头戴显示设备产生不同深度的图片去引导人 眼自然地聚焦在远近不同的平面上才能从根本上解决这一冲突,从而解决眩晕和人眼 疲劳。

  vr虚拟现实设备中存在的问题:VR眼镜眩晕问题引发的思考

  VR眼镜的严重眩晕问题引发了对另一个问题的思考,为什么3D电影在数小时后才 出现眩晕或人眼疲劳,而VR眼镜的耐受时间一般只有5〜20min,一方面是因为3D电影 已经普及多年,能适应3D电影的人群已经变得更加适应,不能适应3D电影的人群已经 不再去3D电影院,所以造成所有人都能耐受3D电影数小时的假象。另一方面,3D电影 是第三人称视角观看,而虚拟现实使观看者处于第一人称视角,晕动症更加明显。再一方 面,3D电影的荧幕距离人眼较远(一般十米到几十米不等),虽然聚焦错乱的问题依然存 在,但睫状肌始终处于较舒张的状态。而VR眼镜的屏幕经准直透镜放大以后,一般等效 在较近处(一般2〜5m),睫状肌始终保持紧绷的状态,人眼更易疲劳。上述3个原因导致 -了虚拟现实的耐受时间相比于3D电影缩短了很多。

  vr虚拟现实设备中存在的问题:导致近视

  眩晕是目前虚拟现实最大的技术瓶颈,大大限制了虚拟现实产业的长足发展,并且会对人眼造成伤害。在VR眼镜佩戴的全过程中都会强迫人眼处于错误的聚焦平面,睫状肌得不到连续自然的舒张和收缩。长此以往,睫状肌弹性下降,失去了自主调节的能力, 从而导致近视。尤其对于12岁以下的儿童,人眼器官正处于生长发育阶段,VR眼镜会大大增加患近视的可能性。

  即使是成年人,长期佩戴vr虚拟现实设备也会导致视力下降。因此,虚拟现实应用于幼教领域需严格控制佩戴时间。幼儿应尽可能减少甚至不佩戴VR眼镜,直到突 破这一技术瓶颈。


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