基于虛擬現實頭戴式顯示器用戶體驗研究

楊磊

摘要：虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術作為一門新興的綜合性技術，其應用性受到廣泛的關注。隨著消費級的VR頭戴式顯示器產品及相關產業活躍發展，標志著VR技術的運用將不僅局限于前沿科技研究領域，更廣泛地適用于大眾生活、娛樂的時代即將到來。與此同時，開發基于頭戴式顯示器的VR項目亦面臨很多技術難題，其中攝像機的運動模式是尤其關鍵的一個環節，本文結合VR技術的發展、特征，通過對基于頭戴式顯示器VR案例的分析，總結出四類適宜的VR攝像機運動模式，為VR用戶體驗相關研究提供一些思路。

關鍵詞：VR 頭戴式顯示器 攝像機 運動模式

中圖分類號： G647.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

一、研究背景

虛擬現實技術是二十世紀中后期提出，二十世紀末期逐漸興起的一門綜合性技術，作為仿真技術的重要方向，VR技術結合了計算機圖形學、傳感技術、多媒體技術、人機交互技術、人工智能等前沿學科和研究領域，是一門極具潛力和活力并充滿挑戰的研究領域。虛擬現實旨在利用計算機、顯示設備、傳感交互設備等平臺模擬包括環境、感知、自然行為等，以突破用戶和系統之間的界限，打破傳統表現形式的局限，使用戶沉浸到逼真的虛擬環境中，這個虛擬環境不僅可以將人無限的想象力實現，并且可以讓用戶以自然行為與虛擬環境進行交流互動。[1]

VR技術具有三大基本特征：浸入性，即用戶通過顯示設備及傳感交互設備在虛擬環境中體驗到的真實感；交互性，即用戶與虛擬環境的行為輸出，并得到實時、多感官的反饋體驗；構想性，即用戶在虛擬環境中將抽象概念具象可視化的過程體驗。[2]基于這些特征，VR技術自誕生起就備受矚目，并且已經已經在航天航空仿真訓練、軍事模擬、科學計算可視化等領域得到了極有價值的應用，許多國家甚至將VR技術的研究建設提升至戰略地位。隨著計算機技術、傳感技術等相關領域的發展，特別是VR硬件設備的快速發展升級，為VR技術的應用提供了更好的操作性和更廣泛的運用領域。

二、VR硬件設備概述

VR硬件設備大致可以分為四類：建模設備，例如3D掃描儀、3D打印機等；視覺顯示設備，例如3D投影系統、頭戴式立體顯示器等；交互設備，例如位置追蹤系統、力反饋設備等。其中，因為所蘊含的巨大商業潛力，頭戴式顯示器（Head Mount Display）受到了各廠商和用戶越來越多的關注，三大頭戴式顯示器開發廠商Oculus、HTC、索尼都相繼推出了消費級的VR頭戴式顯示器產品和相應的VR平臺。

目前的三大主流VR頭戴式顯示器產品Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR均是桌面級的產品，硬件設計上比較相似，主要由頭戴顯示器、操作柄、動作捕捉系統但部分組成。頭戴顯示器相當于VR環境中的一部攝像機，用戶通過鏡頭感覺身處360°真實的虛擬環境中。三款產品都集成了頭部運動追蹤、位置追蹤系統，其中Oculus Rift和索尼PlayStation VR使用單個動作感應攝像頭來識別用戶運動，需要將攝像頭放置在用戶正前方；而HTC Vive則另辟蹊徑，頭戴上集成多達37個LED傳感器，能夠與安裝在房間中的兩個傳感器構成一個4.5米見方的動作捕捉空間，在這個空間內用戶可以自由活動。

三、VR頭戴式顯示器在游戲、影視領域的應用

隨著消費級VR頭戴式顯示器產品的活躍發展，標志著VR技術的運用將不僅局限于前沿科技研究領域，而廣泛地適用于大眾生活、娛樂的時代即將到來。相應的，VR技術在游戲、影視領域掀起了不小的浪潮。

就游戲本身的發展而言，隨著技術的發展，從最早的文字MUD游戲到2D游戲，再到3D游戲，游戲的擬真程度和代入感越來越強，其目的正是在于將想象的環境具象化、擬真化，然后讓用戶置身其中，交互體驗。VR技術的特征與游戲開發的訴求不謀而合，VR技術的出現，讓游戲開發者們看到了更高層次的平臺，可以讓用戶打破硬件、界面的束縛，更加直接地沉浸到虛擬的游戲世界中去。

所以，作為最適合用戶體驗的VR硬件設備，VR頭戴式顯示器平臺成為了VR游戲的最佳選擇，目前，基于三大主流頭戴式顯示器產品Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR平臺的游戲產品已有百余部，越來越多的游戲開發者將目光投向了VR平臺。

相對游戲而言，因為當前VR硬件和技術上的局限性，VR技術與影視的結合還處于探索階段，藝術家們已經開始積極地嘗試，相繼有《Help》（2014）、《Lost》（2015）及《Henry》（2016）等VR影視作品問世。很顯然的，VR的浸入式觀影體驗將為影視藝術賦予更為豐富的表現力和更加深層的感染力；VR的交互特征可以為影視藝術創造全新的屬性，讓觀眾與作品對話，使觀眾進入作品，去操縱、觀察，甚至再創造。VR技術與影視藝術的結合是必然的趨勢。

當然，不論是游戲還是影視，要迎來真正的VR時代還要面臨許多挑戰，攻克許多難題，其中，攝影機的運動模式是一個很關鍵的環節。

四、VR頭戴式顯示器攝像機運動模式探索

盡管游戲開發和影視制作的流程和環節大相徑庭，但開發者或制作者在面對基于頭戴式顯示器的VR項目時，都要面對同一個問題，那就是如何應對和解決用戶在虛擬現實環境中的暈動癥（VR Sickness，簡稱VR暈動癥）問題。

造成VR暈動癥的因素較為綜合，例如聲音與畫面的同步性、畫面幀率不足等，但最主要的誘因是VR攝影機移動時造成的相對運動錯覺（Vection Illusion）： 當觀察者視域內一大片的區域運動時，觀察者會認為自己在運動，而周圍的世界是靜止固定的。[3]舉個例子，當觀察者身處一節停靠在火車站火車車廂里，這時一列火車從旁邊經過，觀察者會產生錯覺，認為自己所處的這列火車在向相反的方向運動。與傳統的顯示器鏡頭不同，用戶在使用VR頭戴式顯示器時，會感覺自己親身處于眼前的虛擬環境中，用雙眼在觀察眼前的虛擬世界，而不是通過一臺顯示器來觀察。但是由于目前VR設備的局限性，用戶本身并不能大范圍活動，即使HTC Vive也只能在很小的區域內移動，而不論游戲或影視，在VR環境中難免涉及鏡頭的移動及切換，這個環節很若不妥善處理，很容易讓用戶產生相對運動錯覺，進而引發VR暈動癥，讓用戶體驗大打折扣，。

可以說，解決暈動癥是VR開發者們需要解決的首要問題，這直接關乎一個作品的生命力。通過分析一些體驗感良好的VR案例，可以總結出一些適宜的運動模式：

（1）盡可能使用靜態的攝像機，或保證鏡頭的旋轉及移動與用戶的運動一致。這樣用戶的視覺和自身的運動相吻合，則不會產生相對運動錯覺，也就從本質上避免了VR暈動癥。這種運動模式在VR游戲《實驗室》（The Lab）、《VR僵尸游戲》（VR zGame）中有廣泛的應用，VR電影《Henry》中也使用了大量的靜態攝像機。這種模式通常不允許攝像機移動，只通過頭盔的運動捕捉系統來捕捉用戶頭部的轉動，以控制攝像機的旋轉，因此給客戶的體驗就是自己始終站立在原地而觀察周圍的虛擬環境。這種攝像機運動模式可以很好地避免VR暈動癥，但其缺陷在于完全舍棄了攝像機的移動，機位缺乏變化，鏡頭語言枯燥。

（2）設置相對于攝像機的靜態參照物。當無法避免攝像機運動時，為了避免相對運動錯覺，可以設置相對于攝像機靜止的參照物。例如Oculus Rift平臺的實例游戲《迷宮》（Maze），用戶的視角俯視一個巨型的迷宮，通過控制柄可以旋轉迷宮面板，在旋轉的過程中若沒有相對于攝像機靜止的參照物，用戶很容易產生相對運動錯覺，認為旋轉的不是迷宮面板而是自己，進而引發VR暈動癥，所以開發者巧妙地在迷宮面板中央添加了相對于攝像機靜止的UI界面，在UI界面的參照下，用戶很容易分辨迷宮面板的旋轉運動。類似的例子還有飛行模擬、賽車競速等，設置相對攝像機靜止的機艙、駕駛室作為參照物，用戶就能很好地區分運動主體和建立速度感。

（3）設置與速度匹配的誘導物。在攝像機運動時，盡量保持恒定的速度和方向，避免移動速度和方向的變化可以使用戶適應攝像機的運動。但這種攝像機移動模式和靜止攝像機一樣單調乏味，不適合長時間使用，特別是在影視方面，需要豐富的攝影機運動來保證生動的鏡頭語言。為了減輕攝像機運動變化帶來的VR暈動癥，可以設置與速度相匹配的誘導物。例如育碧開發的飛行射擊類VR游戲《化鷹》（Eagle Flight）中，鏡頭中始終保持有與飛行速度匹配的粒子特效，給用戶提供了適應速度變化的誘導物，以降低用戶產生VR暈動癥的可能性。

（4）淡入淡出切鏡頭以及眨眼切鏡頭。傳統影視中的淡入淡出切鏡頭方法依然很適用于VR，模擬眨眼效果切鏡頭的方法則與VR攝像機給用戶帶來的第一人稱臨場感完美搭配。由酷咔數字開發的VR游戲《雇傭兵》（Mercenary）大量運用了這兩種切鏡頭的模式，創造了十分良好的第一人稱射擊類（FPS）VR游戲的用戶體驗。

五、結語

攝像機運動模式是VR項目開發中重要的一環，攝像機移動模式是否適宜往往就決定了一部VR作品品質的優劣。然而攝像機運動模式僅僅是VR技術研究領域的一個環節，它與VR顯示技術、VR傳感技術、VR反饋技術等方面相互交叉、 作用，VR技術的日益成熟，將提供更優化的攝像機運動模式，創造更佳的用戶體驗。因此，需要時刻關注相關領域的最新發展動向和研究成果，跟進VR技術發展趨勢，充分應用和發揮VR的魅力。

參考文獻：

[1]胡西偉.基于三維動畫與虛擬現實技術的理論研究[D].武漢大學，2005

[2]肖夢雪. 虛擬現實技術與3D立體電影[J]. 廣播電視，2012，6：35-37.

[3] Wikipedia. Illusions of self-motion.[EB/OL]. https：//en.wikipedia.org/wiki/Illusions_of_self-motion#Vection，2016-10-30.