作為一名 VR 從業人員，常有 VR 圈之外的朋友筆者吐槽說：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 GearVR 等國外品牌的產品就沒有出現這樣的情況，這是為什麼呢？

對於這個問題，筆者可以列出很多的原因，但是首先，也是最重要的一點，是需要大家糾正這樣一個認識誤區：VR 技術不是簡單的兩個顯示屏+盒子。不少 VR 眼鏡產品只是開發了一個手機盒子，並沒有針對插入其中的手機進行軟硬體的優化，自然很容易造成體驗不佳，引發所謂的的暈動症（Motion Sickness）。

而關於暈動症，VR 大牛 Michael Abrash 有著他的思考。

Michael Abrash 是圈內首屈一指的圖形程序員，他於 2014 年加入 Oculus 擔任首席科學家，致力於頭戴式可視設備（Head Mount Display 簡稱 HMD）研究，包括如何減少 HMD 在使用過程中帶來的暈眩。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，從而引發暈動症。所以，虛擬現實技術不是簡單地把兩塊顯示器放在眼前，然後放映圖片那麼簡單。這篇文章是在 Michael Abrash 的三篇關於餘暉（persistence）博文的基礎上創作的，深入探討了低餘暉如何降低暈眩感，以及低餘暉技術所帶來的其他負面問題。

首先，什麼是餘暉效應呢？

換個詞來說，餘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，光信號消失後，視覺形象並沒有立刻消失，這種殘留的視覺影像成為「後像」。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。我們生活中也有餘暉效應，比如觀察一個白熾燈，當我們猛的轉頭後，白熾燈的燈光依然會映在我們眼前。

餘暉與顯示器有什麼關係呢？

我們稱顯示器上的像素點被點亮的時間為餘暉時間（persistence time）。我們現在用的液晶顯示器就是全餘暉顯示器，因為像素點在每一幀都被點亮。那為什麼在 HMD 中我們要選擇低餘暉呢？這就要從人眼和顯示器上的虛擬圖像間相對運動說起了。

為了幫助我們了解人眼和顯示器上的虛擬圖像間的相對運動，我們先來看一個簡單的問題——色像差（color fringing，也稱為彩色邊紋或者色散現象）。

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。那麼什麼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餘暉時間。

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麼不同（在這裡我們忽略垂直分量 y）。

真實世界中的物體：

LCOS 色序顯示器（經常被用來當做 HMD 的顯示器）上的虛擬物品：

如果你看不懂以上的解釋也沒有關係，簡單來說，由於色序顯示器三種色彩分量不能被同時點亮，那麼當人眼相對於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理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）。

首先什麼是拖尾呢？根據維基百科的解釋，拖尾是在 VR 中對於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，餘暉時間越長，拖尾現象越明顯。

其次什麼是頻閃呢？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。由於閃爍不涉及視覺暫留，在這裡不做贅述。

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。下圖是一張渲染的遊戲場景，和這個場景拖尾 2 度（把手伸直，豎起大拇指，大拇指的寬度大概就是 2 度）的對比圖。

如果你還是對頻閃和拖影的產生抱有疑問，那我們繼續來看看時間-空間圖來幫助理解。

真實世界中的物體：

HMD 上的虛擬圖像：

因為餘暉效應，人眼可以保存上一幀，這一幀，甚至下一幀的圖像。對於物體相對於眼睛從左到右移動（眼睛注視前方不動）這種情況，我們不會看到拖影現象，但是由於實際的刷新率，我們可能會看到頻閃。對於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。

理解了這些偽影現象之後，我們想問的就是如何解決它。

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：

那麼問題來了，多高的刷新率才足夠呢？

這個問題沒有確定的答案，因為這個值與場景內容、解析度、視場角 FOV、像素點填充、顯示器類型、人眼移動速度、人眼特徵等有關。這個值大概接近於 100Hz，200Hz 會是一個很大的提升，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解析度。一個 1000Hz 的顯示頻看起來足夠好了，基本確定可以減少或者消除一些包括暈眩在內的 HMD 問題，因為它更加接近現實世界。但這不是一個百分之百肯定的結論，因為我們還從沒見過一個 1000Hz 的頭戴顯示器，目前技術暫時也難以達到這個要求。

除了提高刷新率，還有其他方法可以消除抖動，那就是降低餘暉時間。我們再來看幾張對比圖：

但是，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，低餘暉的顯示器會造成頻閃。然而低餘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，如果你在玩一個遊戲，讓你在一個喧鬧的街市場景中掃視尋找一個圖標或者標誌，這時場景中的物體會相對人眼產生距離，這個距離間隔大於 5-10 角分時，我們就會看到頻閃。

頻閃現象還沒有被人們好好研究過，這個現象所引發的問題現在還沒有被很好地解決， 其中涉及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）。下面對這兩個概念進行簡單的解釋。

對於人類來說，在頻繁的快速掃視眼動中保持視知覺穩定十分重要。研究表明，伴隨快速掃視會發生視覺敏感性降低的現象，即掃視抑制。掃視抑制對於形成穩定的視知覺具有重要作用，在我們掃視時，真實世界的圖像會在我們的視網膜上滑動，但是低餘暉使我們喪失了掃視抑制的功能，因為低餘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，無論什麼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於什麼位置）。但是低餘暉消除了拖尾，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遊戲中不是一個很大的問題，也很少被檢測出來。人腦的適應能力很強，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 研究已經有了許多突破性的發展，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從視覺餘暉的角度對暈動症有更多的了解，並且理解低餘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。

本文由深圳特約 布格VR 供稿，作者 張小朦

責任編輯 陳凱文

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