在兩年前的那個夏天,柴司的小陳被種草了一款叫《半衰期:愛莉克斯》的 VR 遊戲,不惜斥重金全款提了一台全新的 Oculus Quest 2,和一塊價格是現在 3 倍的 3070 顯卡。他堅信次時代的 VR 沉浸式體驗會迅速征服用戶,席卷世界。
爲了搶先一步體驗,他一頭 ...... 一頭 ...... 一頭紮進了 VR 世界。
然後 ...... 又緩緩退了出來 ......
這倒不是遊戲不好玩,而是因爲他隻要戴一會兒 VR 眼鏡,就會覺得脖子太酸、眼睛太累、視野太窄、畫面邊緣太糊,更難受的是,他會感到頭暈、惡心,真實地想吐。
許多用 VR 眼鏡的人,都遭遇過類似情況,但各類推廣中卻提得不多。爲了搞清楚這些問題到底是怎麽回事,小陳深入研究了 VR 眼鏡的技術原理,而越研究,他的心就越涼。
高情商的結論是,在未來一些年,VR 眼鏡都仍然會有很大 ...... 很大 ...... 很大 ...... 的進步空間。
都 2023 年了,VR 眼鏡怎麽還是費力又費眼?它的進步空間,爲什麽還有這麽大?我們想用比平常稍微長一點的時間,來聊聊 VR 眼鏡這條科技樹,在目前面臨的技術困境。
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目前所有能買到的 VR 眼鏡,都給人又厚又重的觀感。實際上呢 ...... 它們确實又厚又重,一般的頸椎扛不住多久。
VR 眼鏡之所以厚,是因爲裏面塞了透鏡。之所以要塞透鏡 ...... 是因爲一個東西離你的眼睛太近了的話,你就看不清了。
VR 眼鏡的顯示原理,就是在你眼前放了一塊屏幕。但如果你現在随便拿個東西放到跟 VR 眼鏡一樣近的位置,也就是眼前兩三厘米的地方,就會發現完全看不清。
這是因爲物體上每個點反射的光線,都是向外發散的。你的眼睛要通過晶狀體形變,把這些光線重新折射,彙聚到視網膜上,才能看清圖像。這個過程,叫 "對焦調節"。
但人眼的對焦調節能力是有極限的,如果屏幕距離眼睛太近,光線發散角度過大,那晶狀體再怎麽努力,也無法把光線彙聚到一個點上,所以看不清。
所以,就要加透鏡。
這兩片透鏡,就是要幫你的晶狀體分擔一部分折射光線的工作。這樣屏幕雖然離眼睛很近,你也能看清上面的内容。
所以這兩片透鏡,是 VR 眼鏡中最爲核心的元件之一。視頻開頭這些 VR 體驗上的問題,就跟透鏡密不可分。
VR 眼鏡爲什麽這麽厚?
首先,是重量的問題。
爲了給透鏡預留空間,并且給透鏡調整光路留下一定的距離,VR 眼鏡當然會變厚重。所以你進入 VR 世界的時候,就會覺得自己的頭大了一圈,重了一斤,重心還歪了,動作一大,就容易滑動、戴不穩,時不時要扶一下,這很不沉浸啊朋友們。
爲了把厚度做薄,廠商們也動了腦筋:早年的Google Cardboard 等手機 VR 盒子——啊是的這個小陳也買過,他什麽當都上過——用的是厚實的非球面透鏡;
它的原理和凸透鏡差不多,能讓光線經過時發生折射。
那如果我們把這個透鏡中光線延直線傳播的部分去掉,隻保留發生折射的曲面,不就能降低透鏡的體積和厚度了嗎?
這種方案,就是目前 VR 産品中最主流的 "菲涅爾透鏡"。
如今的大部分 VR 設備,比如小陳兩年前買的這台 Oculus Quest 2,用的都是 " 菲涅爾透鏡 "。
" 菲涅爾透鏡 " 是更好了,但它節省下來的空間還是不夠多。再加上電池、運算單元,還要給我們這群近視眼留下戴眼鏡的空間,所以厚度依然在那。
既然透鏡的厚度減不了多少,那剩下能減的,就隻有光路的傳播距離了。所以這些年,VR 行業又在應用一種更新型的技術方案:"Pancake 光學方案"。
Pancake 的具體原理相當複雜。往簡單了說,就是把屏幕發射的光線,折疊在了透鏡的内部,在透鏡的内部完成折射過程。這樣就能進一步壓縮厚度。
爲了實際體驗這個所謂的 Pancake 方案,對 VR 眼鏡的體驗提升到底有多大,小陳不顧同事的百般勸阻,又一次斥重金,全款提了一款最新的 Pico 4:因爲它的一大宣傳點,就是 Pancake 鏡片。
從外觀就能看出來,這台 Pico 4,确實比兩年前的 Oculus Quest 2 要薄上一丢丢,戴起來也确實更輕巧,脖子不容易酸,有進步!
于是小陳蒼蠅搓手,再一次邁入了 VR 的世界。
然後……又再一次緩緩地退了出來 ......
根據他的親身體驗,采用 Pancake 方案的 Pico 4 戴起來确實更輕,更舒服。
但問題是,眼睛累、視野窄、畫面邊緣模糊,還有眩暈、想吐等一系列問題還是擺在那,改善不太大。
所以,VR 眼鏡爲什麽會費眼、讓人想吐呢?
畫面邊緣爲什麽這麽糊?
如果你戴上這兩款 VR 眼鏡,會發現你視野中央的畫面是清晰的。但越接近邊緣的地方,畫面就越模糊,而且還有輕微的重影和形變。
所以如果你想看清那些在自己視野餘光中的物體,那光轉動眼睛是沒有用的,而是要轉動頭部,旋轉身體,确保自己的視線對準畫面的中央,物體才能呈現出足夠清晰的圖像。這時如果有一大波僵屍同時向你襲來,那你就得像隻雞一樣,随時扭頭,上下左右來回張望,才能瞄準目标,脖子的運動量簡直拉滿。
造成這個問題的原因,還是透鏡。
透鏡是要将分散的光線,重新彙聚起來。一般來說,越靠近中心位置的光線,彙聚效果越好,而越靠近透鏡邊緣位置光線,彙聚效果就越差,這被稱爲 "球面像差"。VR 畫面的邊緣模糊,很大程度上就是由球面相差引起的。
除了球面像差,目前 VR 成像中很多别的問題,比如畫面邊緣的僞影、畸變,其實都是由透鏡自身光學的特性所導緻的,可以被改善,但不可能被完全消除。
所以隻要 VR 眼鏡走的還是光學透鏡的路子,那麽這些成像上的問題,就會永遠存在。
但有一說一,這些問題其實還好,玩久了也就适應了,有些比較厚的眼鏡片還會産生畸變呢。不是什麽大事兒,不會對 VR 的沉浸式體驗産生太大幹擾 ~
視野範圍爲什麽這麽窄?
倒是另一個問題,對 VR 沉浸式體驗的幹擾更大:也就是視野範圍太窄。
在現實世界中,你眼睛的水平視野範圍,大約是 188 ° ——是的,甚至比 180 ° 還大點 ~ 但目前絕大多數 VR 眼鏡所能提供的視場角範圍,隻有 90 ° ~110°。這種感覺,就有點像是透過潛水鏡看水下,或者是透過望遠鏡看世界一樣,不夠廣,有一種奇妙的偷窺感 ......
那爲什麽不把 VR 眼鏡的視場角弄大點呢?
不是廠商摳門,而是因爲被物理規律卡住了。
你看啊,在戴 VR 眼鏡的時候,你的眼睛和透鏡之間,會構成一個錐形區域,這個區域叫做 "眼動範圍"。當人眼位于這片區域時,VR 的圖像能正常顯示,超過這個範圍,畫面就模糊、扭曲了。
所以 VR 眼鏡在設計時,一定要确保你的眼睛,能始終位于這片眼動範圍内,避免跑偏。考慮到每個人的瞳距不同,佩戴時還可能出現滑動,大部分 VR 眼鏡的眼動範圍,都會盡可能地往大了設計。
而這麽做的代價,就是犧牲了 VR 的視場角範圍。
我們可以用一個簡圖來描述一下 VR 眼鏡的結構。這裏的 B,是眼動範圍,V,是視場角。受限于眼鏡本身的大小,S 和 R 基本是個定值。那麽 B,也就是眼動範圍越大,視場角 V 就越小,二者不可兼得。
如果非要把視場角做大,那麽眼動範圍就會很小。這樣眼睛的位置稍微一變化,就有可能丢失畫面,畫面畸變也會更明顯。
我們手上的這兩台産品,視場角都不大。但已經很容易因爲位置沒對準,或者頭帶松了,而産生畫面失焦不清晰的情況。要是真把視場角再做得大一點,那隻要稍微一動,就會兩眼一黑了。
兩眼一黑倒也沒什麽,調整一下就行。湊合湊合嘛,又不是不能用!理解萬歲嘛 ~
戴起來爲什麽這麽暈?
而最後一個問題,是真的沒法兒湊合 ..... 也就是 VR 眼鏡所帶來的眩暈感,會讓人想吐。
VR 眼鏡爲什麽會讓人暈呢?這來源于一個現象,叫 "輻辏 - 調節沖突"。
什麽意思呢?"調節",指的是眼睛的 "對焦調節",這個視頻開頭講過。而 "輻辏",則是一個動作。
假如現在,你把你的手指,放在雙眼正前方 30 厘米的地方,然後盯住它。此時你眼睛和手指之間的連線,會呈現出一個大約 6 ° 的夾角;然後,如果你把手指移動到離雙眼 10 厘米的地方,爲了繼續盯住它,你的眼睛會向内,再轉動大約 12 °,變成一個鬥雞眼。
在注視物體時,眼球的這種轉動過程,就叫 " 輻辏 "。
你之所以能看見有立體感的畫面,判斷出物體的縱深,就是因爲有輻辏和變焦調節的存在。
很顯然,在真實世界中,輻辏和變焦是同步發生的;
但在 VR 眼鏡中,你看到的并不是真實的物體,而是一塊距離固定的屏幕。那麽爲了能看清楚畫面内容,你的眼睛必須聚焦在這兩塊屏幕上。所以在佩戴 VR 眼鏡時,你隻能輻辏,不能變焦,這兩個過程就不同步了。
這時候,你的大腦就懵了,它會頻繁地判斷物體真實的空間位置,反複調整雙眼的輻辏和對焦,試圖讓二者重新歸于同步,然後……你就暈了。
還是有一說一,不光 VR 有 " 輻辏 - 調節沖突 ",在電影院裏看3D 電影等也一樣。但問題是 VR 眼鏡離人眼更近,你看到的虛像和實際屏幕之間的距離往往更遠,所以更容易暈。
特别是在打遊戲的時候,由于不同深度和不斷運動的物體實在太多了,大腦很容易宕機。
比如在切水果的時候,你可能就判斷不了這堆蘋果香蕉西瓜梨,距離自己有多遠,于是就隻能對着空氣瞎砍一通;
又比如在玻璃上寫字時,你可能要拿着筆比劃半天,才能夠到玻璃的位置,好不容易寫出字來,還斷斷續續的。
所以很多 VR 遊戲提供給玩家的移動方式,并不是推遙感移動或是身體移動,而是直接瞬移:這就是爲了避免移動時,再給玩家的大腦增加運算負擔,要不多走幾步你就吐了。
一般來說,VR 場景中一個物體離你越遠,産生的 " 輻辏 - 調節沖突 " 就越明顯。如果是玩一些小場景的遊戲,能盡量減少眩暈感。
但還有一種情況,是 VR 場景中的一個物體離你特别近,甚至湊到了你的臉上的時候,也會出現明顯的 " 輻辏 - 調節沖突 "。
就比如——呃……這個我們不知道啊,都是小陳說的——他說用 VR 看一些…… "第一人稱小電影" 的時候,隻要演員的臉一湊過來,你眼睛的輻辏就會跟不上畫面的角度變化;爲了維持對焦,兩隻眼睛就隻能各看各的,這時,你将看到兩張大臉,相互重疊,同時向你襲來。據小陳的一個朋友說,這整個過程非常恐怖,眩暈感拉滿,根本沒法堅持看下去。
VR 業界當然知道暈眩感非常勸退,也确實在實驗一些試圖解決 " 輻辏 - 調節沖突 " 的方案,但它們距離真正的實現和量産都還很遠,短期之内,該暈還是得暈。
結個尾
視頻講到現在,我們一直在說 VR 眼鏡有哪些缺陷,好處是一點兒都沒提。其實我們很向往完整的 VR 世界,而且說實話,所有這些問題,不管是厚重、視野窄,還是眩暈,都可以克服——不是說讓廠商明天就克服啊,是說用戶自己,如果玩的時間久了,整個身體和操作習慣了,那也能接受。
但問題是,如果我們把 2016 年算作 "VR 元年 ",那麽到現在,已經是VR 七年了。七年,足夠兩個人從相識,到相愛,再到分手。但 VR 眼鏡,花了無數的研發和推廣費用,卻還是沒能真正普及。這其中當然有算力、内容生态等原因,但最重要的,還是在基礎體驗方面,仍然有很大 ... 很大 ... 很大 ... 的進步空間。畢竟沒有足夠多的用戶量和足夠好的基礎體驗,那内容生态也很難好到哪裏去。
所以如果你是一位 VR 愛好者,那可能我們說的所有問題,對你來說都不是問題,都能适應。但對于普通用戶來說,這個 " 适應 " 的過程,很可能也是一個從興奮,到失望,最後勸退的過程。如果你也想先人一步邁入 VR 世界的話,那可以先找家店體驗一下,再決定要不要入手。
至于小陳,他稍微有一些悲觀。他說算力可以不斷提升、生态應用可以慢慢養,但最基礎的光學成像原理,在一定程度上是不可突破的。它可以能不斷地升級、優化,但隻要還在用光學透鏡,那麽 VR 眼鏡的體驗就是有上限的。至于什麽樣的技術能幫 VR 眼鏡突破這個上限,是全息技術、光場技術,還是眼球義肢、腦後插管、數字生命……我們不知道。但我們知道的是,它們都還很遠。
所以短期内,我們想邁入 VR 世界,可能注定要忍受一段不那麽愉快的适應過程。至于各家 VR 廠商,我們祝福你們,希望你們能迅速突破瓶頸,狠狠地打小陳的臉,研發出我們想象不到的技術方案。
到時候,記得來找我們做推廣 ~~
好了,這期視頻稍微有點硬,感謝你能看到現在。喜歡的話,歡迎點贊支持我們,讓我們能堅持到 VR 大成的那一天。
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