作為一名VR從業人員，常有VR圈之外的朋友和筆者吐槽說：為什么國產的VR眼鏡，看看靜止的內容還可以，一旦動起來，人就各種暈眩。而國外品牌的產品如Gear VR沒有出現這樣的情況，這是為什么呢？

　　對于這個問題，筆者可以寫出很多原因，但是主要有一點，就是先讓大家認識一個誤區：VR技術不是簡單的兩個顯示屏+盒子。同樣的VR眼鏡，不少廠商只是開發了一個盒子，并沒有針對插入其中的手機進行軟硬件的優化，自然很容易造成體驗不佳，也就是科學上所稱之的暈動癥。而暈動癥歷來就被稱為VR發展的最大絆腳石。

　　嗯，關子賣完了，那今天就讓我們討論下關于如何解決暈動癥的問題。

　　先獻上VR大牛對于這個問題的思考：

　　Michael Abrash是首屈一指的圖形程序員，他于2014年加入Oculus公司擔任首席科學家，致力于頭戴式可視設備（Head Mount Display簡稱HMD）研究。提到VR大家就必不可少的會想到暈動癥（Motion Sickness）一詞。可以說這個問題是VR發展中最大的一塊絆腳石，具體來說HMD有許多偽影現象（artifacts），例如：色彩邊緣（color fringing）、抖動（judder也稱視角震顫）、頻閃（strobing）、拖影（smearing）等偽影問題會帶來眼腦協調不適，從而引發暈動癥。所以說虛擬現實技術不是簡單的把兩塊顯示器放在眼前然后放映圖片那么簡單。這篇文章是在Michael Abrash的三篇關于余暉（persistence）博文的基礎上創作的，深入探討低余暉如何降低暈眩感和低余暉技術所帶來的其他負面問題。

　　首先什么是余暉效應呢？

　　換個詞來說余暉效應就是視覺暫留現象，是指人眼在觀察事物時，光信號傳入大腦神經需要一段短暫的時間，光信號消失后，視覺形象并沒有立刻消失。這種殘留的視覺影像成為“后像”。舉一個簡單的例子，中國古代的走馬燈就是利用了這種現象。我們生活中也有余暉效應，比如觀察一個白熾燈，當我們猛的轉頭后，白熾燈的燈光依然會映在我們眼前。

　　那么余暉與顯示器有什么關系呢？

　　我們稱顯示器上的像素點被點亮的時間為余暉時間（persistence time）。我們現在用的液晶顯示器就是全余暉顯示器，因為像素點在每一幀都被點亮。那為什么在HMD中我們要選擇低余暉呢？這個問題我們就要從人眼和顯示器上的虛擬圖像間的相對運動說起了。

　　色像差（color fringing）也稱為彩色邊紋或者色散現象。在解釋低余暉之前，我們先來看一個簡單的問題：色像差。這是一個很好修復的問題，也可以很好地幫助我們了解人眼和顯示器上的虛擬圖像間的相對運動。

　　下圖是一個很好的例子，我們可以清楚地看到圖片有紅綠藍三種基色邊緣，圖片質量大幅下降。那么什么情況下這種問題會發生呢？

　　我們可以認為來自顯示器的光子是一個三維信號，我們把這個三維信號量化為一個表達式：pixel_color = f（display_x， display_y， time）。這個表達式表示顯示器上的光子的位置和它的余暉時間。

　　我們將用時間——空間圖來幫助大家了解HMD頭戴顯示器與真實世界有什么不同（在這里我們忽略垂直分量y）。

　　真實世界中的物體：

　　LCOS色序顯示器上的虛擬物品：（色序顯示器經常被用來當做HMD的顯示器）

　　如果你看不懂以上的解釋也沒有關系，簡單來講，由于色序顯示器三種色彩分量不能被同時點亮，那么當人眼相對于顯示器上的虛擬物品移動時，我們就會看到色散現象。這種現象是一個很好解決的問題，因為只要確保色彩分量同時點亮就可以了，所以我們選擇更換顯示器，Oculus使用的就是OLED有機電激光顯示器。

　　我們之所以把色散問題放在開頭解釋，是為了讓大家更好地了解人眼和顯示器的虛擬物品間的相對運動。這種相對運動還會帶來抖動（視角震顫）、頻閃、拖尾等偽影問題（頻閃和拖尾的混合現象我們稱為抖動）。

　　首先什么是拖尾呢？根據維基百科的解釋，拖尾是在vr中對于動感模糊的視覺感知，它降低了圖像銳度和細節。拖尾發生是因為像素點在被點亮時間內在視網膜上滑動了一段距離，點亮時間越長，滑動的距離就越長。換言之，當人眼與像素點有相對運動時，余暉時間越長，拖尾現象越明顯。

　　其次什么是頻閃呢？根據維基百科定義，頻閃是指在VR中同一時間視覺感知到多張虛擬圖像副本。當人眼觀察虛擬圖片位置從一幀到下一幀的位置超過5-10角分時，我們會感覺圖像明顯跳動，這種跳動就是頻閃。注意頻閃不是閃爍（flicker），閃爍是一種一亮一滅的現象，頻閃是同一時間看到多張相同的圖像。我們不會詳細介紹閃爍，因為閃爍不涉及視覺暫留。

　　而這兩種現象的組合，我們稱之為抖動。在HMD上，拖尾現象嚴重就會掩蓋住頻閃現象。下圖是一張渲染的游戲場景，和這個場景拖尾2度的對比圖。（把手伸直，豎起大拇指，大拇指的寬度大概就是2度。）

　　如果你還是對頻閃和拖影的產生抱有疑問，那我們還是來看看時間——空間圖來幫助我們了解。

　　真實世界中的物體：

　　HMD上的虛擬圖像：

　　因為余暉效應，人眼可以保存上一幀，這一幀，甚至下一幀的圖像，對于物體相對于眼睛從左到右移動（眼睛注視前方不動）這種情況，我們不會看到拖影現象，但是由于實際的刷新率，我們可能會看到頻閃。對于眼睛追蹤物體從左到右移動這種情況，因為每幀像素點都有滑動，所以我們看到了拖影現象，這時，如果我們人眼追蹤不精準，虛擬圖像沒有落在視網膜相同位置上（也就是說x軸有位移），我們也會看到頻閃，這就造成了抖動這種混合現象。

　　了解了這些偽影現象之后，我們想做的就是如何解決它。第一個方法當然就是提高刷新率，讓虛擬物品運動更加接近真實世界。請看下圖：

　　那么問題來了，多大的刷新率才足夠呢？

　　沒有一個答案可以回答這個問題，因為這個值依靠于場景內容、分辨率、視場FOV、像素點填充、顯示器類型、人眼移動速度、人眼特征。我可以告訴你，這個值大概接近于100Hz。

　　200Hz是一個很大的提升，但是還不夠。如果是一個1080p且有用90度FOV的顯示器可能需要300到1000Hz的刷新率，但是高頻率要求更高的分辨率。一個1000Hz的顯示頻看起來足夠好了，基本可以確定可以減少或者消除一些HMD的問題，也許包括暈眩，因為它更加接近現實世界。我不能百分之百肯定我的結論，因為我從來沒見過一個1000Hz的頭戴顯示器，我也不認為目前技術可以達到這個要求。

　　那么除了提高刷新率，還有沒有其他方法可以消除抖動？那就是降低余暉時間。我們再來看幾張對比圖：

　　解決了拖影，又引發了新的問題。之前我們也提到了，在抖動的情況下，拖影隱藏了頻閃效果。不看拖影，低余暉的顯示器會造成頻閃。然而低余暉的頻閃看起來不是一個嚴重的問題，因為眼睛在完美跟蹤什么圖像時不會頻閃，虛擬圖像上的像素點會在每一幀落在視網膜的相同位置，所以沒有幀到幀之間的圖像位置相隔問題（造成頻閃的原因）。但是眼睛不可能追蹤場景里的所有虛擬物品。舉一個例子，如果你在一個賽車場景里，周圍有舞動的人群，但你的視線一直在追蹤場景中的賽車，因為人眼追蹤賽車，所以我們人眼和移動的賽車間沒有相對運動，我們看不到頻閃，但是場景中的其他部分，可能會出現頻閃現象。再比如，如果你在玩一個游戲，讓你在一個喧鬧的街市場景中掃視尋找一個圖標或者標志，這時場景中的物體會相對人眼產生距離，這個距離間隔大于5-10角分，我們就會看到頻閃。

　　頻閃現象并沒有被人們好好研究過，我們關于這個現象引發的問題現在還沒有解決。 其中涉及了很多人體眼腦的合作機理。目前看來，Michael Abrash發現了兩個因素影響著這種視覺不穩定問題。一個是掃視遮蔽（Saccadic masking），也稱掃視抑制）；另一個是參照系（frame of reference）。在這里我可以粗略的向大家介紹一下什么是掃視抑制，什么是參照系。但是更具體深入的研究還是需要大家自己去慢慢了解。

　　對于人類來說，如何在頻繁的快速掃視眼動中保持視知覺穩定是一個重要的課題。研究表明，伴隨快速掃視發生的視覺敏感性降低的現象，即掃視抑制，對于形成穩定的視知覺具有重要作用。在我們掃視時，真實世界的圖像在我們的視網膜上滑動。但是低余暉使我們喪失了掃視抑制的功能，因為低余暉導致了虛擬圖像在掃視過程中始終保持清晰，失去了滑動，這時頻閃現象就會發生。

　　另一個因素是參照系，為了把視網膜接收到的信息轉化為我們熟知世界的模型，無論什么時候眼腦都需要一個參照系（人腦預測被掃視的物品應該處于什么位置）。但是低余暉消除了拖尾，圖像移動變的不連貫，所以人腦認為虛擬圖像沒有處在正確位置上。這時，我們就會感到視覺不穩定。

　　頻閃帶來的視覺不穩定性在游戲中不是一個很大的問題，也很少被檢測出來，人腦在發展中，也有可能在未來的十幾年慢慢適應這種問題，就像人配了一個新眼鏡一樣。HMD研究已經有了突破性的發展，但是還有很多未知的問題等待我們去探討。希望這篇文章可以讓大家對暈動癥有一定的了解，并且知道了低余暉顯示器的益處和缺陷。如果文章中有哪些不精準，不明確的解釋歡迎大家積極討論。謝謝

　　參考文獻：My Steam Developers Day Talk