如何突破VR虛擬現(xiàn)實中的VAC現(xiàn)象

    VAC現(xiàn)象在學術上稱之為視覺輻輳調節(jié)沖突，英文vergence-accommodation conflict，也就是我們常說的調焦沖突，這一現(xiàn)象造成的眩暈感是目前虛擬顯示面臨著的難以突破的瓶頸。其實眩暈并不是虛擬現(xiàn)實所特有的，有的人在影院看3D電影也會眩暈，有的人在公交上看書也會眩暈，但是眩暈感在VR上卻是更為明顯的。其原因之一是因為近距離的屏幕3D顯示使視覺輻輳調節(jié)沖突更為明顯。

    什么是VAC（視覺輻輳調節(jié)）

    當我們在看某一點時，雙眼轉動使視點落在視網(wǎng)膜上相對應的位置，看近處的物體時，雙眼通常向內看，看遠處的物體視軸會發(fā)散些，這就產(chǎn)生了視覺輻輳，雙眼從不同角度觀看同一物體得到的影像也會有一些差異，大腦會根據(jù)這種差異感覺到立體的影像。這也是目前3D顯示的常用的方式。

    輻輳調節(jié)

    當我們看現(xiàn)實中的實物時，除了視覺輻輳調節(jié)，還需要對不同距離的光進行屈光調解，將光線聚焦到視網(wǎng)膜上才能成清晰的像。此過程中晶狀體聚焦在物體的過程叫做焦點調節(jié)。

    焦點調節(jié)

    目前的虛擬現(xiàn)實設備均是通過左右屏顯示同一物體不同角度拍攝的畫面，利用雙眼看到的圖像偏移來呈現(xiàn)立體的感覺。

    輻輳調節(jié)引起的立體視覺

    但是屏幕發(fā)出的光線并沒有深度信息，眼睛的焦點就定在屏幕上，因而眼睛的焦點調節(jié)與這種縱深感是不匹配的，，從而產(chǎn)生視覺輻輳調節(jié)沖突（VAC現(xiàn)象），這種沖突是與人類日常生理規(guī)律是相違背的，因此才會有視覺疲勞、眩暈感。

    要想解決這個問題，就要從人眼成像的原理上出發(fā)，讓VR設備展現(xiàn)的畫面可以有深度信息，也就是光就要從空間立體中的點發(fā)射出來，讓人眼的視覺輻輳和焦點匹配，光不僅要有強度還要有方向，那就是光場顯示技術。

    那么既然知道怎么解決為什么不把這個技術應用？雖然有了解決方案，但是真正應用起來可沒那么容易，目前光場技術在相機領域的應用還算較早，但也僅限于光的采集。如圖所示，物體向各個方向發(fā)出的光是不同的，因此人站在不同的角度、觀看也會有視覺差異。

    而光場相機可以記錄光輻射在傳播過程中的位置信息和方向信息，這比傳統(tǒng)的成像方式多出2個自由度，因此拍攝者可以先拍攝，后期根據(jù)自己需求再選擇自己的聚焦點。

    光場相機

    而光場顯示技術的實現(xiàn)要比這個困難的多，可以說這不僅僅是學術圈面對的難題，即使是微軟、Oculus這樣世界領先的虛擬顯示公司也在為這件事而發(fā)愁。斯坦福大學的一項研究表明光場技術是可以改善虛擬顯示目前存在的眩暈缺陷的，像光場相機一樣，先收集各個方向的光，再通過多層堆疊的顯示屏進行顯示，每層都顯示不同焦點的圖像，這樣人眼就可以實現(xiàn)正常對焦了。

    維茨坦因的一個團隊設計了一款利用光場顯示的VR大盒子，里面有三四個位面展示了同一個圖像的不同部分。這些位面前有一個可以改變功率的透鏡，可以對焦到畫面的不同部分。光線可以模擬現(xiàn)實世界中光在物體上的反射，進而投射出三維效果。該設備就使用了兩層疊加的液晶顯示器，使圖像不同部分在兩層液晶顯示器上呈差異化顯示，距離遠的物體會在后面那層顯示器上顯示更多細節(jié)，距離近的則在前面那層顯示器上顯示更多細節(jié)。如果讓VR顯示技術和顯示視覺效果一樣，還需要更多層顯示屏的疊加，目前研究人員僅在靜態(tài)畫面上進行了測試，對于動態(tài)畫面的效果仍有待驗證。

    除此之外，還可以采用焦距僅為幾毫米的微鏡頭陣列來代替普通透鏡，利用特殊的GPU芯片進行實時光源光線追蹤運算，將影像分解成為數(shù)十組不同的視角陣列，然后再通過微透鏡陣列重新將畫面還原顯示在用戶的眼前，從而使觀賞者能夠如同身處真實世界中一樣，通過眼睛來從不同角度自然觀察立體影像。但是、此種技術還有一道硬傷，NVIDIA就曾推出過采用此種技術頭戴顯示設備，其原型設備的空間分辨率僅為146×78，根本無法滿足商業(yè)化需求，因此只能通過4K級別甚至更高級別顯示面板才能達到想要的效果。就目前普及的1080P的手機而言，屏幕已經(jīng)算是功耗大戶了，因此4K級別的顯示屏的功耗也就可想而知。

    光場顯示技術的兩種實現(xiàn)方法勢必會增加硬件設備GPU的負擔，對處理器要求高，但人眼是不需要看全整個畫面的，占用GPU渲染出的有深度的畫面大部分都是不用看的，這也就導致了資源的浪費。

    而眼球追蹤技術正是光場顯示技術的最佳拍檔，我們可以通過捕捉的人眼動作判斷人眼的注視點，模擬輻輳調節(jié)過程，僅渲染人眼注視點位置的畫面，讓畫面主動去適應視點位置，這樣既保證了真實感，又不會因為眼睛去適應畫面而產(chǎn)生疲勞。而在這個過程中局部渲染也自然而然的降低了GPU的負荷。目前我們的虛擬顯示設備aGlass已經(jīng)嘗試通過這種方式解決眩暈，不過似乎還有一段艱難的路要走。但一旦讓光場顯示技術和眼球追蹤技術在VR設備上實現(xiàn)，那VR設備也將不再局限于看電影玩游戲了，他甚至可以在虛擬世界里再現(xiàn)任何你在視覺上想要的東西，并且還和現(xiàn)實感官沒差異！