从视觉系统的原理入手 破解VR眩晕症

近年来，虚拟现实技术迎来了快速发展的浪潮，其应用范围也扩展到了更多领域，吸引了众多老牌巨头的参与。但是，VR技术本身还是存在一些极其难以解决的缺陷；如果无法克服，技术的进一步普及只会是痴人说梦。目前很多研究团队都在试图从自己的思维中寻找答案，但最核心、最有影响力的问题应该从人类视觉的物理原理入手。

VR的问题

头晕、恶心、不平衡等症状在VR用户中非常常见。奥地利虚拟现实公司Jungermer进行的一项调查显示，在991名受访者中，超过75%的人至少有一种症状。调查还显示，对于首次使用VR设备的用户来说，这些负面影响尤为强烈。此外，这些症状的持续时间和使用时间之间几乎呈线性关系。

除了为娱乐提供更舒适的VR体验外，科学家们还希望积极克服这一问题，使VR技术广泛应用于医学或教育等其他领域。

那么，物理可以帮助我们提升VR体验吗？

VR头显是怎么工作的？

为了理解物理原理在VR中的作用，我们不妨谈谈VR头显和人眼的工作原理。

当我们戴上这些精美的VR耳机时，小显示器离眼球非常近，完全占据了我们的整个视野。然而，我们的眼睛不能聚焦在非常近的物体上；为了解决这个问题，开发人员使用了复杂的光学系统，并通过一组光学镜头引导我们的眼睛聚焦在显示对象上。

结果，监视器发出的光通过这个光学系统照射到我们的眼睛上。之后，晶状体折射光线，进一步将图像聚焦在眼睛后部的视网膜上。接下来，一些视觉接收器会将电磁辐射信号转换成电脉冲，然后传输到我们的大脑。

在物理层面，我们可以用光线模型来表示整个过程。

通常，一个简单的VR光学系统由一组高精度透镜(通常是菲涅耳透镜)组成，光线通过这些透镜从显示器传输到您的眼睛。

这些镜头在设备中意义重大，因为前面提到过，当我们佩戴VR头显时，眼球与显示器之间的距离其实很近，所以眼睛的对焦能力自然看不清图像。不信的话，你可以慢慢把手机屏幕拉近眼睛，你应该能清楚地感觉到自己的近距离对焦极限在哪里。此外，如果你盯着太近的东西看一会儿，你会经常感到疲倦和头晕。没错。这说明眼睛结构不适合这份工作。

但是有了VR头显，为什么这么近的距离还能看到清晰的图像？正是这一组复杂的光学元件通过特定的透镜组合对光线进行必要的校正。

但是这种光学系统并不完善，哪怕是一点点的不匹配都会对VR的沉浸感产生巨大的影响。事实上，正是因为这种微波缺陷，用户才会大规模出现失衡、迷失方向、头晕头痛等问题。

聚拢调节问题

要从根源上克服挑战，需要解决最基本的光学问题，即会聚调节问题。大部分VR开发者认为，除了提高显示器的分辨率、扩大视野外，会聚调整是阻碍VR产品全面普及的第三大障碍。

把一根手指放在你面前，盯着它。这时，我们的眼睛会完成两个操作：首先，眼睛会迅速将目光集中在手指上(调整)，然后两个眼球开始向中心点移动(收敛)。这个聚集过程是我们观察附近事物的必要过程。

然而，VR头显的观看设计并非如此。当我们戴上VR头显时，眼睛会一直聚焦在眼前的VR屏幕上，聚集过程会被虚像的指向距离和位置所“假装”。这会使眼睛感到不自然和不舒服，从而导致眼睛疲劳、头晕和恶心。

解决问题

VR企业正在努力解决聚集调整的问题。到目前为止，所有的尝试都在不断地向我们强调，一定要从视觉原理层面找到突破口。换句话说，我们不能通过简单的计算或技术手段来解决它。因此，在未来的VR头显中，集成光学系统必须能够准确模拟现实世界中的光线变化。

解决这个问题的最初想法是在虚拟现实设备中引入多个显示器，而不是一个。这些显示器具有不同的焦距，用于呈现虚拟环境中的不同区域。然而，这不仅会大大增加设备的制造成本，还会显著降低显示内容的对比度。

后来，VR开发人员将注意力转向了自适应光学。这类技术试图用更灵活的镜头取代传统的单一焦距的VR组件，保证其在1毫秒内快速切换不同焦距。

在人眼和虚拟现实显示器之间安装这些镜头后，科学家可以创造出更流畅、更自然、不那么不舒服的虚拟体验。但是自适应光学系统对头部的位置有严格的要求，导致应用再次陷入僵局。

新加坡一家厂商似乎更进一步，他们认为自适应光学系统可以再努力。2018年，他们开发了一款可以在不同虚拟场景中确定最佳对焦位置的软件。此外，他们还引入了红外眼睛跟踪器来检查用户的视线，并将信息提供给机械制动器，然后机械制动器快速调整焦点位置。

第三种流行的解决方案是所谓的光场技术，其基本思想是从虚拟物体的增量区域发出两条或多条光线，将虚拟物体转化为虚拟物体。

近年来，VR技术取得了快速且巨大的进步。然而，VR设备还远远没有完善，用户们仍然会频繁报告自己出现了恶心、头晕、眼疲劳等问题。而且只要一天没能彻底解决这些问题，我们就无法将VR真正引入科学、医学、教育等领域。好消息是，目前的工作成果已经让我们相信，克服困难的一大前提在于充分理解人类视觉系统的物理原理，再依照原理开发出完全契合的VR光学系统。已经有众多企业在这条道路上倾情投入、奋力前行，我们有理由相信趋近完美的VR头显应该就在不远的未来。