【深度解析】vr體驗中的沉浸感：所有的互動、物理系統、視覺、硬體

明視距離約為多少釐米

編輯導語： 隨著科技的不斷髮展，VR也逐漸出現在我們的生活娛樂裡；在使用VR時，我們會感覺整個人都沉浸在畫面和空間裡面，這就是——沉浸感；本文作者對VR體驗中的沉浸感做了詳細的分析，我們一起來看一下。

寫完上一篇之後，本想就6DOF手部互動的話題繼續聊VR裡面的物理系統模擬反饋的內容；後來總結的時候發現，所有的互動、物理系統、視覺、硬體最佳化都避不開一個VR體驗的核心指標——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裝置與沉浸感；

生物與裝置小結；

一、眼與腦的生物特性

要弄清楚什麼是沉浸感，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於多個維度，而腦科學的研究中表明，視覺感知大約佔總體感知的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分；那麼當前VR的分支是沿著視覺的方向進行突破和擴充套件，所有的軟硬體設計都圍繞著視覺欺騙來展開。

人因範疇浩如煙海，我們只選其中幾個比較重要的角度來探討。

1。 還原真實的挑戰性

要想欺騙我們鬼斧神工一般的眼睛並不是一件容易的事。首先這裡有一組資訊：

我們單目的水平視野範圍約170°，雙眼的水平視野範圍約220°，垂直約135°。雙眼重合的視場角約為124°，這124°內立體感知最強；

在明視距離（約25cm左右）下，人眼每1°視場角大約容納60個畫素（PPD≈60），單眼螢幕所需解析度為12600×7200，雙目所需解析度為25200×7200；

顯示器重新整理率要達到72Hz以上，人眼才不會察覺到明顯的抖動，這一點對於觀感和保護眼睛很重要；

為避免由於視覺、大腦和前庭器官之間產生資訊差異而出現的暈動症，從我們的頭部或視角移動到我們觀察到螢幕對應的畫面之間的時長必須小於20ms；

成年人的瞳距大多在60~70mm之間。

那麼這個資訊代表著什麼呢？

這代表著現有的顯示屏、算力演算法、光學結構等手段，在保證VR裝置重量、體積及續航的前提下，很難完全復原真實的人眼視野範圍和觀察感受；並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裝置為了保證渲染畫面連續性和響應速度去縮小視場角，就會產生潛望鏡效果，我們視野內會出現明顯的黑邊，沉浸感瞬間被擊垮；如果為了保證大視場角，那麼就會對鏡片尺寸、畫面清晰度、畫面渲染及響應速度等方面造成更大的壓力。

在當前硬體效能限制下，片面的追求視場角模擬往往會造成掉幀、拖影等結果，從而引入更多使使用者眩暈的因素。

2。 視覺認知與大腦參考系

我們視網膜上獲取資訊的清晰度等級分佈並不均勻，其中視杆細胞大概佔94%，處於視網膜邊緣，對光敏感，但對空間圖形色彩不敏感；視錐細胞大概佔6%，主要分佈在視網膜中央凹處，對色彩空間形狀具有高度敏感性。

而中央凹區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資訊量高達50%，是視網膜上中識別度最高的區域；我們正是透過這3°視場角的不斷跳躍，來獲取空間內那些更豐富的資訊。

老話講，好鋼用在刀刃上~ 我們視網膜上這3°中心視覺區域，就被大腦用在感興趣的資訊上了。

在這裡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：思維注意轉移到視野範圍的周邊區域，以獲取對周邊環境的粗略感知，無需轉動眼球；

顯性注意：眼睛注視範圍轉移，以獲取該注意區域內更詳細的資訊。

當我們剛進入一個新環境的時候，我們的眼睛往往會快速四處打量，把收集到的資訊彙集到大腦中；在這個打量的過程中，我們會根據大腦中已有的認知快速掃過數百度的視場角。

那些大面積不重要的牆面，地面，欄杆，玻璃會被快速略過，這些部分就是隱性注意；然後把注意力快速集中到綠色的出口、紅色的雕塑、黑色的沙發等等我們意識中認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。

當我們在快速打量一片區域時，中央窩視野會停留在顯性注意的區域一段時間，用來獲取詳細的視覺資訊，這一部分就是我們的注視點；我們在感知一個環境的時候，視野會快速的對區域內多個注視點或者多個區域進行瀏覽，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境的。

眼跳的平均時間為20-40ms，速度可達到600°/s。

雖然這個引數看起來很牛，但這裡有個前提！那就是這個行為必須是我們人體主動發起的運動，必須是大腦、視覺、前庭系統的認知互相匹配的情況下，才可以實現對場景的快速合理認知；否則，就會產生視覺與前庭認知不匹配，我們就會眩暈。

這種視覺-前庭-大腦互相匹配的認知現象，最常見的一個假說認為這是一種人類對於神經毒性物質的心理防禦機制（一個很有趣的小故事，感興趣的可以百科暈動症）。

總體來講當我們接收到的影象經過視神經傳輸到大腦後，大腦會已就有的認知參照系去解析匹配這些資訊；一旦這些影象資訊無法被解釋，我們的體感認知就會產生障礙。

以上是我們眼腦認知的一些基礎規則，基於人的生理特性我們再來了解下現有VR的裝置基礎。

二、VR裝置現狀與沉浸感

若要想向用戶提供以假亂真的沉浸感，那麼首先就要過視覺這一關。

人的視覺系統非常複雜，以現在的技術水平要想還原完全真實觀感是不太現實的；所以，為了能夠瞞天過海實現沉浸感，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聯度最密切的視場角，在靜止狀態下，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頭盔的主要引數，從數字中我們可以看到，現有的頭盔在視場角上還不能滿足完全模擬人眼生物特性。

那麼為什麼這幾款頭盔依然可以被使用者接受呢？

前文中我們有聊到“雙眼視覺區”和“視覺注意”的概念，這兩個概念結合起來之後，我們會發現，人眼的巨大視場角和資訊處理能力並不是一個無差別覆蓋的區域。

因此各家廠商在實際設計過程中，也抓住了這些關鍵點，讓VR沉浸感成為可能：

雙目立體感知最強的視場角約120°，其中無需頭部轉動的視覺敏感區域大概只有55°左右，一旦超過55°的範圍，使用者更多的透過轉動頭部來代替轉動眼球，以降低眼睛疲勞度；

人眼從中央凹區域到四周邊緣區域，可感知的解析度是逐漸降低的。

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

這種渲染方式，勉強可以把視場角儘量的推到接近120°，從而確保使用者可以感知大部分的場景。

並且近幾年各家廠商力推的注視點渲染技術也是從生物特性上著手，釋放算力，為進一步提升解析度、重新整理率、視場角等元素做準備。

在基本滿足了人眼靜態沉浸的生理需要之後，還需要在鏡片定製、演算法、渲染等技術領域的實力，來降低動態視覺的延遲、抖動等問題帶來的眩暈感。

三、小結

經過上面的闡述，基本上我們可以大致瞭解“人”和“機”的背景，以及硬體產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前文中的人機關鍵資料：

硬體裝置作為VR體驗的基礎，搭建起一個高沉浸VR世界的舞臺，儘管當前這個舞臺只是勉強觸控到虛擬世界的門檻；而現階段的內容設計在這個單薄的舞臺上，又運用很多人的認知特點，展示了一場令人激動的虛擬現實舞臺劇。

原本想簡單聊聊VR沉浸感的元素，後來發現是給自己挖了個大坑！本著儘量知其然也要知其所以然的態度，又去翻閱了很多學術理論性的文章，最後結合自己的理解進行思考和闡述。

這就導致了篇幅急劇擴張並且前半段有點無聊，下篇會結合大家喜聞樂見的遊戲圖來聊聊認知沉浸…

下篇預告：

四、認知沉浸

五、泛談五感沉浸

六、沉浸感要素總結

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