隨著虛擬現(xiàn)實漸漸興起，國內(nèi)現(xiàn)在做虛擬現(xiàn)實的廠商也增多了起來。但是我經(jīng)常聽到有體驗者向我表示：他戴上國外大廠諸如Oculus、Sony和Valve的VR頭顯的時候，體驗十分出色，但是戴上國產(chǎn)的VR頭顯，不動的時候還好，一動起來就會讓人極度眩暈，這是為什么？按照一般的看法，VR頭顯無非是戴在頭上的顯示器，暈動（MotionSickness）到底是怎么回事？

實際上人對于VR的眩暈很大程度上，與暈船暈車沒啥區(qū)別：人耳朵里的前庭系統(tǒng)所感受到的運動狀態(tài)和視覺系統(tǒng)不一致，就會在大腦里“打架”——人就會覺得暈乎乎的。總的來說，暈動癥分為三種：

你看到動了，感覺沒有動：比方說打FPS游戲就是這種情況；

你感覺動了，但是看到?jīng)]有動：比方說暈車暈船暈機(jī)就是這種情況；

感覺的運動情況與看到的運動情況不匹配：宇航員在做離心機(jī)訓(xùn)練的時候就會遇到這種情況。

對于VR，情況可能要更加復(fù)雜一些。用戶的全部視野都被VR頭顯所覆蓋，VR頭顯極力欺騙你已經(jīng)到了另一個世界，此時視覺系統(tǒng)所感受到的東西就不僅僅是視野中的一塊屏幕上顯示的畫面，而是整個視野，在這種情況下，VR導(dǎo)致的暈動癥就會有很多種因素。

第一個因素當(dāng)然是你身體的運動和你的視野中所觀測到的運動不匹配。

比如說你在坐VR的過山車的時候，視覺上是在高速運動，但是前庭系統(tǒng)卻表示你并沒有在運動，這時就會導(dǎo)致頭暈。從邏輯上，這與打FPS游戲造成的頭暈沒有什么區(qū)別，每個人都會有不同的感受。

第二個很重要的原因，是頭部運動和視覺觀測到的頭部運動的不匹配。

這才是今天我們要說的重點，也是VR頭顯能夠從技術(shù)上加以改善的部分。其中這一點包括兩個部分：幀間延遲和幀內(nèi)延遲。

幀間延遲很好理解。人類對于頭部轉(zhuǎn)動和相對應(yīng)的視野的變化是極度敏感的。如果用戶的頭轉(zhuǎn)動了，而相對的，視野轉(zhuǎn)動有延遲，只要很微小的延遲就能感覺得到。有多微小呢？研究表明，頭動和視野的延遲不能超過20ms，不然就會非常明顯。

不要小看20ms：實際上人頭部運動的速度很容易就能夠達(dá)到每秒上百的度數(shù)。假設(shè)頭部轉(zhuǎn)動速度為100度/秒（其實隨便轉(zhuǎn)頭就能達(dá)到這個速度），20ms的延遲意味著視野中物體的轉(zhuǎn)動延遲為2度，把手伸直，豎起大拇指，大拇指的寬度大概就是2度。

20ms的延遲時間對于VR頭顯而言是一個非常大的挑戰(zhàn)。首先設(shè)備需要足夠精確的辦法來測定頭部轉(zhuǎn)動的速度、角度和距離，這可以使用慣性陀螺儀（反應(yīng)靈敏但是精度差）或者光學(xué)方法來實現(xiàn)。然后計算機(jī)需要及時渲染出畫面，顯示器也需要及時地顯示出畫面，這一切都需要在20ms以內(nèi)完成。相應(yīng)的，如果每一幀顯示的時間距離上一幀超過20ms，那么人眼同樣也會感到延遲。所以，VR頭顯的畫面刷新率應(yīng)該超過50FPS，目前來說60FPS是一個基準(zhǔn)線。要在這么短的時間內(nèi)搞定這一切，本身就是巨大的挑戰(zhàn)。

那么是不是單純把幀率提高到60FPS以上，拼死將延遲做到20ms以內(nèi)就可以了呢？其實除了幀間延遲之外，VR所造成的眩暈還有更加復(fù)雜的成因。下面我用幾張示意圖演示。

我們可以看到，左邊這張圖是真實的世界中，一個物體從左往右移動時眼睛看到的情況：隨著時間的推移，物體的軌跡是一條線；而右邊的圖則是任何一種顯示器顯示出來的情況：物體的圖像在每一個點顯示一段時間之后，就跳到下一個點；它并非是連續(xù)的運動。

但是一旦當(dāng)人的頭部運動，那么人眼也會相對于顯示的物體有相對的運動，這時物體在人眼中的軌跡就變了一個樣子：

右圖中頭部往左轉(zhuǎn)時，原來靜止不動的物體的軌跡就變成了右圖這個樣子，不再是一個點，而是在每一幀結(jié)束之時跳回到它“應(yīng)該”在的位置。然而人眼的視覺暫留現(xiàn)象則會保留上一幀和這一幀的圖像，于是圖像就會造成拖影，從而導(dǎo)致眩暈。

假如我們?nèi)匀患僭O(shè)60hz的刷新率，頭部轉(zhuǎn)動速度為120度/秒，那么一幀內(nèi)頭部轉(zhuǎn)動為2度，以DK2的分辨率，一幀內(nèi)的延遲為19像素，這個時候頭顯顯示的圖像將會是相當(dāng)模糊的。而分辨率越高，這個問題就越嚴(yán)重。以人眼理論極限分辨率來計算，一幀內(nèi)延遲會達(dá)到600像素。

這個問題怎么解決呢？想要讓物體的圖像更加連續(xù)的移動，最好也是最簡單粗暴的辦法是提高刷新率。

從60到90，到120，到200……可能最后到1000hz，那時我們的視覺系統(tǒng)就徹底分辨不出真實或者是虛擬了。但顯然我們現(xiàn)在無法將刷新率提高到1000hz，目前OculusRiftCV1和HTCVive采用了90hz刷新率，而SonyProjectMorpheus采用的是120hz刷新率。

另外一個辦法，就是降低余暉（Persistence）。

余暉（Persistence）是一個在CRT顯示器時期的概念。CRT顯示器是電子束激發(fā)屏幕上的熒光粉發(fā)光，所以實際上CRT顯示每一幀之內(nèi)只有很短一段時間像素是發(fā)光的，其余時間像素是暗的，示意圖如下：

可以看到液晶顯示器，每一幀內(nèi)像素總是在發(fā)光，所以液晶顯示器就被稱之為“全余暉”（FullPersistence）顯示。

中間這張圖只有一半時間像素發(fā)光；而右邊這張圖是理想情況下只有非常短的時間內(nèi)屏幕在發(fā)光，也就是“零余暉”（ZeroPersistence）。由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，刷新率足夠高就不會察覺到屏幕只有每一幀很短時間發(fā)光。但是為了彌補(bǔ)亮度的不足，每一幀內(nèi)像素發(fā)光的強(qiáng)度要大大提升。

低余暉顯示對VR頭顯的意義在于，頭動時物體的軌跡更加接近于物理世界的真實軌跡：

這時頭部運動帶來的拖影會大大降低。假設(shè)假設(shè)同樣頭部轉(zhuǎn)動為120度/秒，頭顯刷新率60hz，一幀內(nèi)屏幕發(fā)光2ms，以DK2分辨率和視角計，那么在發(fā)光2ms之內(nèi)頭部轉(zhuǎn)動人眼所觀察到的視覺延遲僅為2像素，眩暈感就隨之而去。

但是我們都知道LCD的基本顯示原理：通過讓液晶翻轉(zhuǎn)來選擇性透過光線。這意味著LCD很難使用低余暉顯示。

（TN-LCD的基本顯示原理）

液晶翻轉(zhuǎn)的響應(yīng)時間最快也有2-4ms，而背光原理也導(dǎo)致LCD不能做到全黑。相比之下傳統(tǒng)的CRT顯示器是天然的低余暉顯示。

想要解決這個問題，VR頭顯必須使用主動發(fā)光的顯示屏，比方說OLED。由于其每個像素都是主動發(fā)光的，所以O(shè)LED屏幕可以做到低余暉。

實際上，Oculus和Valve都使用了AMOLED的低余暉顯示屏，Sony則使用了自家的OLED顯示屏。目前國產(chǎn)的VR頭顯大多采用傳統(tǒng)的LCD顯示屏，所以其造成眩暈是很自然的。

但是低余暉也并不是什么都好。它也會帶來副作用：由于每一幀圖像顯示的時間都很短，所以移動的物體顯示出的軌跡是斷續(xù)的，視覺系統(tǒng)會認(rèn)為其為不同的物體，而在顯示屏全亮的情況下，視覺系統(tǒng)則有足夠的時間將其界定為同一個物體。從這個意義來說，這是一個trade-off：在解決暈動和拖影的同時，低余暉顯示會導(dǎo)致頭動時物體閃爍和跳躍。

好了，說了這么多，我想大家也都明白了：虛擬現(xiàn)實并不是在眼睛前面放兩塊顯示屏加一個陀螺儀就能搞定的。在此也希望國內(nèi)的廠商能夠沉下心做好產(chǎn)品，把虛擬現(xiàn)實的基本體驗做好，我們才能夠像智能手機(jī)那樣從蘋果谷歌到小米華為。

聲明：本文在技術(shù)描述中參考了現(xiàn)Oculus首席科學(xué)家Michael Abrash的工作，部分圖片來自于他在Valve的博客，原文地址。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的让你头晕的VR头显，背后发生了什么？的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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