編輯導(dǎo)語： 隨著科技的不斷發(fā)展，VR也逐漸出現(xiàn)在我們的生活娛樂里；在使用VR時，我們會感覺整個人都沉浸在畫面和空間里面，這就是——沉浸感；本文作者對VR體驗中的沉浸感做了詳細(xì)的分析，我們一起來看一下。

寫完上一篇之后，本想就6DOF手部交互的話題繼續(xù)聊VR里面的物理系統(tǒng)模擬反饋的內(nèi)容；后來總結(jié)的時候發(fā)現(xiàn)，所有的交互、物理系統(tǒng)、視覺、硬件優(yōu)化都避不開一個VR體驗的核心指標(biāo)——沉浸感！

沉浸感是一個由多維要素共同組合而成的概念，今天我們就先來拆解一下沉浸感的黑箱。

上篇：

• 眼與腦的生物特性；
• VR設(shè)備與沉浸感；
• 生物與設(shè)備小結(jié)；

一、眼與腦的生物特性

要弄清楚什么是沉浸感，就不得不從人類感知世界的方式說起,Long time ago …

人類感知的方式來自于多個維度，而腦科學(xué)的研究中表明，視覺感知大約占總體感知的70%左右。

所以大體上來講，人確實是一種視覺動物。如果按照感知維度來細(xì)分；那么當(dāng)前VR的分支是沿著視覺的方向進(jìn)行突破和擴(kuò)展，所有的軟硬件設(shè)計都圍繞著視覺欺騙來展開。

人因范疇浩如煙海，我們只選其中幾個比較重要的角度來探討。

1. 還原真實的挑戰(zhàn)性

要想欺騙我們鬼斧神工一般的眼睛并不是一件容易的事。首先這里有一組信息：

• 我們單目的水平視野范圍約170°，雙眼的水平視野范圍約220°，垂直約135°。雙眼重合的視場角約為124°，這124°內(nèi)立體感知最強(qiáng)；
• 在明視距離（約25cm左右）下，人眼每1°視場角大約容納60個像素（PPD≈60），單眼屏幕所需分辨率為12600×7200，雙目所需分辨率為25200×7200；
• 顯示器刷新率要達(dá)到72Hz以上，人眼才不會察覺到明顯的抖動，這一點對于觀感和保護(hù)眼睛很重要；
• 為避免由于視覺、大腦和前庭器官之間產(chǎn)生信息差異而出現(xiàn)的暈動癥，從我們的頭部或視角移動到我們觀察到屏幕對應(yīng)的畫面之間的時長必須小于20ms；
• 成年人的瞳距大多在60~70mm之間。

那么這個信息代表著什么呢？

這代表著現(xiàn)有的顯示屏、算力算法、光學(xué)結(jié)構(gòu)等手段，在保證VR設(shè)備重量、體積及續(xù)航的前提下，很難完全復(fù)原真實的人眼視野范圍和觀察感受；并且雙眼在觀察不同焦距物體的時候，還存在雙眼視差、會聚對焦等一系列問題。

這樣一來，如果VR設(shè)備為了保證渲染畫面連續(xù)性和響應(yīng)速度去縮小視場角，就會產(chǎn)生潛望鏡效果，我們視野內(nèi)會出現(xiàn)明顯的黑邊，沉浸感瞬間被擊垮；如果為了保證大視場角，那么就會對鏡片尺寸、畫面清晰度、畫面渲染及響應(yīng)速度等方面造成更大的壓力。

在當(dāng)前硬件性能限制下，片面的追求視場角仿真往往會造成掉幀、拖影等結(jié)果，從而引入更多使用戶眩暈的因素。

2. 視覺認(rèn)知與大腦參考系

我們視網(wǎng)膜上獲取信息的清晰度等級分布并不均勻，其中視桿細(xì)胞大概占94%，處于視網(wǎng)膜邊緣，對光敏感，但對空間圖形色彩不敏感；視錐細(xì)胞大概占6%，主要分布在視網(wǎng)膜中央凹處，對色彩空間形狀具有高度敏感性。

而中央凹區(qū)域換算為視場角來看大概在2-3°，這3°視場角接收有效視覺信息量高達(dá)50%，是視網(wǎng)膜上中識別度最高的區(qū)域；我們正是通過這3°視場角的不斷跳躍，來獲取空間內(nèi)那些更豐富的信息。

老話講，好鋼用在刀刃上~ 我們視網(wǎng)膜上這3°中心視覺區(qū)域，就被大腦用在感興趣的信息上了。

在這里我們要引入一個視覺注意的概念，所謂視覺注意，就是指我們聚焦的事物是經(jīng)過我們知覺選擇的，是一種有傾向性的行為。

而這個聚焦過程，大概分為兩種：

• 隱性注意：思維注意轉(zhuǎn)移到視野范圍的周邊區(qū)域，以獲取對周邊環(huán)境的粗略感知，無需轉(zhuǎn)動眼球；
• 顯性注意：眼睛注視范圍轉(zhuǎn)移，以獲取該注意區(qū)域內(nèi)更詳細(xì)的信息。

當(dāng)我們剛進(jìn)入一個新環(huán)境的時候，我們的眼睛往往會快速四處打量，把收集到的信息匯集到大腦中；在這個打量的過程中，我們會根據(jù)大腦中已有的認(rèn)知快速掃過數(shù)百度的視場角。

那些大面積不重要的墻面，地面，欄桿，玻璃會被快速略過，這些部分就是隱性注意；然后把注意力快速集中到綠色的出口、紅色的雕塑、黑色的沙發(fā)等等我們意識中認(rèn)為這是有趣的或者是有價值的物體上，這些部分就是顯性注意。

當(dāng)我們在快速打量一片區(qū)域時，中央窩視野會停留在顯性注意的區(qū)域一段時間，用來獲取詳細(xì)的視覺信息，這一部分就是我們的注視點；我們在感知一個環(huán)境的時候，視野會快速的對區(qū)域內(nèi)多個注視點或者多個區(qū)域進(jìn)行瀏覽，同時注視點也隨之快速移動，這個移動的過程，就被稱之為眼跳。

我們就是用眼跳和注視不斷切換的方式，來處理我們身處的環(huán)境的。

眼跳的平均時間為20-40ms，速度可達(dá)到600°/s。

雖然這個參數(shù)看起來很牛，但這里有個前提！那就是這個行為必須是我們?nèi)梭w主動發(fā)起的運動，必須是大腦、視覺、前庭系統(tǒng)的認(rèn)知互相匹配的情況下，才可以實現(xiàn)對場景的快速合理認(rèn)知；否則，就會產(chǎn)生視覺與前庭認(rèn)知不匹配，我們就會眩暈。

這種視覺-前庭-大腦互相匹配的認(rèn)知現(xiàn)象，最常見的一個假說認(rèn)為這是一種人類對于神經(jīng)毒性物質(zhì)的心理防御機(jī)制（一個很有趣的小故事，感興趣的可以百科暈動癥）。

總體來講當(dāng)我們接收到的圖像經(jīng)過視神經(jīng)傳輸?shù)酱竽X后，大腦會已就有的認(rèn)知參照系去解析匹配這些信息；一旦這些圖像信息無法被解釋，我們的體感認(rèn)知就會產(chǎn)生障礙。

以上是我們眼腦認(rèn)知的一些基礎(chǔ)規(guī)則，基于人的生理特性我們再來了解下現(xiàn)有VR的設(shè)備基礎(chǔ)。

二、VR設(shè)備現(xiàn)狀與沉浸感

若要想向用戶提供以假亂真的沉浸感，那么首先就要過視覺這一關(guān)。

人的視覺系統(tǒng)非常復(fù)雜，以現(xiàn)在的技術(shù)水平要想還原完全真實觀感是不太現(xiàn)實的；所以，為了能夠瞞天過海實現(xiàn)沉浸感，各家頭盔廠商就推出了一系列的錯視。

我們先來看一下與沉浸感關(guān)聯(lián)度最密切的視場角，在靜止?fàn)顟B(tài)下，頭盔的視場角直接決定了沉浸程度！看圖↓

這是目前幾款最常見的VR頭盔的主要參數(shù)，從數(shù)字中我們可以看到，現(xiàn)有的頭盔在視場角上還不能滿足完全模擬人眼生物特性。

那么為什么這幾款頭盔依然可以被用戶接受呢？

前文中我們有聊到“雙眼視覺區(qū)”和“視覺注意”的概念，這兩個概念結(jié)合起來之后，我們會發(fā)現(xiàn)，人眼的巨大視場角和信息處理能力并不是一個無差別覆蓋的區(qū)域。

因此各家廠商在實際設(shè)計過程中，也抓住了這些關(guān)鍵點，讓VR沉浸感成為可能：

• 雙目立體感知最強(qiáng)的視場角約120°，其中無需頭部轉(zhuǎn)動的視覺敏感區(qū)域大概只有55°左右，一旦超過55°的范圍，用戶更多的通過轉(zhuǎn)動頭部來代替轉(zhuǎn)動眼球，以降低眼睛疲勞度；
• 人眼從中央凹區(qū)域到四周邊緣區(qū)域，可感知的分辨率是逐漸降低的。

而目前的VR屏幕，大多都是從手機(jī)屏幕過渡而來，通過分屏的方式來實現(xiàn)雙目畫面渲染（如下圖）。

這種渲染方式，勉強(qiáng)可以把視場角盡量的推到接近120°，從而確保用戶可以感知大部分的場景。

并且近幾年各家廠商力推的注視點渲染技術(shù)也是從生物特性上著手，釋放算力，為進(jìn)一步提升分辨率、刷新率、視場角等元素做準(zhǔn)備。

在基本滿足了人眼靜態(tài)沉浸的生理需要之后，還需要在鏡片定制、算法、渲染等技術(shù)領(lǐng)域的實力，來降低動態(tài)視覺的延遲、抖動等問題帶來的眩暈感。

三、小結(jié)

經(jīng)過上面的闡述，基本上我們可以大致了解“人”和“機(jī)”的背景，以及硬件產(chǎn)品是如何努力為大家提供更好的沉浸感的。

下面我們就用一張表格來總結(jié)前文中的人機(jī)關(guān)鍵數(shù)據(jù)：

硬件設(shè)備作為VR體驗的基礎(chǔ)，搭建起一個高沉浸VR世界的舞臺，盡管當(dāng)前這個舞臺只是勉強(qiáng)觸摸到虛擬世界的門檻；而現(xiàn)階段的內(nèi)容設(shè)計在這個單薄的舞臺上，又運用很多人的認(rèn)知特點，展示了一場令人激動的虛擬現(xiàn)實舞臺劇。

原本想簡單聊聊VR沉浸感的元素，后來發(fā)現(xiàn)是給自己挖了個大坑！本著盡量知其然也要知其所以然的態(tài)度，又去翻閱了很多學(xué)術(shù)理論性的文章，最后結(jié)合自己的理解進(jìn)行思考和闡述。

這就導(dǎo)致了篇幅急劇擴(kuò)張并且前半段有點無聊，下篇會結(jié)合大家喜聞樂見的游戲圖來聊聊認(rèn)知沉浸…

下篇預(yù)告：

• 四、認(rèn)知沉浸
• 五、泛談五感沉浸
• 六、沉浸感要素總結(jié)

作者：Ferryman，公眾號：XRUX

本文由 @Ferryman_X原創(chuàng)發(fā)布于人人都是產(chǎn)品經(jīng)理，未經(jīng)許可，禁止轉(zhuǎn)載

題圖來自 Unsplash，基于 CC0 協(xié)議