00的 XR 周刊 04 -辐辏调节冲突

00•XR视觉交互HCI

在《视觉的空间三维感知 》一文中，我们介绍了两种重要的深度感知线索：调节（accommodation）和会聚（vergence）。

  • 调节：为了清楚地观看物体，人眼需要不断调整焦点，以看清楚不同距离的物体。
  • 会聚：眼球的会聚或各自向内/向外旋转，将注视的物体视为单一物体，避免看到重影。

在自然视觉中，调节和会聚常常一起工作，会聚的程度会影响眼睛晶状体的调节，反之亦然，从而保证灵活而强大的视力。当我们观察远处物体时，眼球的晶状体会放松，视线平行以保持远距离的聚焦状态。但观察近处物体时，眼睛会收缩晶状体调整焦距，让视线聚焦到物体上。如果大脑接收到眼睛调节和会聚之间的线索不匹配时，就会发生辐辏调节冲突（Vergence-accommodation conflict，以下简称 VAC ），对眼睛造成压力。

在 XR 尤其是早期的 VR 中很容易发生辐辏调节冲突，它是导致「晕 VR」的主要原因之一。

在观察虚拟世界时，眼睛需要不断地调节焦距，以便清晰地观察不同距离的虚拟物体，同时还需要会聚，使得两眼聚焦在同一物体上。例如，在观看 1 米处的小黄鸭时，眼睛晶状体会自动调节使得 1 米外的小黄鸭恰好在视网膜上形成清晰的图像。这是正常的辐辏调节关系，大脑已经习惯了这些对应关系。

Vergence-accommodation conflict - Wikiwand 

在 VR 中情况有所不同。3D 图像总是显示在眼前固定距离的屏幕上，为了获得清晰的图像，眼球晶状体聚焦的距离一直不变——调节固定。当你看向不同距离的物体时，仍然需要旋转眼球让视线汇聚到不同深度的物体上——会聚（辐辏角度）不断变化。如果用户想看清一个焦距小于屏幕的虚拟物体，就要增加会聚角度。这时调节视线方向和调节晶状体焦点之间不匹配，打破了原本大脑里自然的对应关系，VAC 出现了。

Vergence-Accommodation Conflict: Facebook Research Explains Why Varifocal Matters For Future VR - YouTube 

VAC 带来的负面影响包括：

  • 影响深度感知
  • 视觉疲劳，会引发不适甚至一定程度的眩晕
  • 影响视觉系统的性能，如降低双目融合的速度

使用时间越长，出现 VAC 的可能性也变大。为了缓解这个问题，可以尝试以下做法：

一是让虚拟物体的位置尽量靠近屏幕焦距。例如，HoloLens 建议通过在不同深度放置内容来引导用户的眼睛会聚到哪里，当内容放在接近 2 米的地方时，可以最大限度地减少辐辏调节冲突带来的不适。如果内容不能放在 2 米附近，用户的视线就需要在不同距离之间来回切换，辐辏调节冲突带来的不适感增大。举个例子，看一个 1 米远处的对象，比看一个 1 米远处时而靠近时而远离的对象要舒服得多。

二是以模仿自然世界线索的方式呈现内容。用户在看东西时，景深效果既可以让人身临其境，又能增加舒适感。例如模糊弹出菜单后面的背景。这不仅可以模拟现实世界中视觉的自然功能，还可以防止用户焦点之外的物体分散注意力。

三是改良显示设备技术。近 10 年 XR 已经出现不少新型显示器，包括变焦显示器、多焦点显示器、全息显示器等等，可以大大降低 VAC。多焦点显示器提供多个图像焦平面，根据观看者的当前焦点来快速切换焦平面，提供背景模糊等景深提示，这样能让视觉感知更接近自然观看。

Oculus 在 2019 年展示了 Half Dome 3 的变焦原理。如图所示，通过六个镜头的开关可以获得 64 次离散的焦距变化，实现快速而自然的变焦显示。

更进一步，在深度学习算法的加持下，训练出深度信息的场景模型，就能很快计算出焦点正确的图像：

deepfocus demo

Vergence-Accommodation Conflict: Facebook Research Explains Why Varifocal Matters For Future VR - YouTube 

相信在不久的将来，VAC 不再是阻碍人们进入 XR 世界的因素。

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