从人体舒适度讨论Unity对VR的发展方向（一）

本文旨在让更多投身VR领域的开发者在创建一个Unity项目之前，从过去、现在与未来的多重角度来了解Unity对VR产业的支持。由于本文篇幅较长，我们将分为上下篇为大家介绍。上篇主要描述VR的起源以及如今火爆的背景。

VR的发展历史与如今火爆的原因

在开始了解如何创建一个VR项目之前，我们首先需要了解VR的一些历史。1935年，小说家Stanley G. Weinbaum在他的小说中描述了一款虚拟现实眼镜，该小说被认为是世界上率先提出虚拟现实概念的作品。小说中描绘了以眼镜为基础，包含视觉、嗅觉、触觉等全方位沉浸式体验的虚拟现实概念。

1962年，Morton Heilig研发出一部名为Sensorama的虚拟现实原形机，后来该原形机被引用到空军，用于以虚拟现实的方式进行模拟飞行训练。随后从1970年到1994年的二十多年间，虽然有许多科学家相继投入VR领域的研究，但整体上还仅限于相关的技术研究，并未生产出能交付到使用者手上的产品。

直到1994年，日本游戏公司Sega和任天堂分别针对游戏产业推出Sega VR - 1和Virtual Boy，在当时的业内引起了不小的轰动。不过，由于设备成本高，其普及率并没有很大提升，但这也为VR硬件进军To C市场打开了一扇门。

现今VR产业火爆，起因是2012年Oculus Rift通过国外知名众筹网站KickStarter募资到160万美元，后来被Facebook以20亿的天价收购。当时Unity作为第一个支持Oculus眼镜的引擎，吸引了大批开发者投身VR项目的开发中，正式打响了这场VR之战。

经历首轮引爆后，2014年Google发布了Google CardBoard，让消费者能以非常低廉的成本通过手机来体验VR世界，这导致许多手游开发者纷纷加入战局，点燃了今日的“Mobile VR”超级大战。纵观当今市场，独立开发市场分析的结果显示，2017年会有超过1300万的VR硬件产出，2020年更会超出5000万台，总市值将达30亿美元。

VR原理与现状深度探讨

就目前的VR体验而言，最亟需解决的问题是用户体验时的眩晕等身体不适问题。造成身体不适的原因有很多，如分辨率、画面重影、画面延迟、深度感知不连续等。

人体全身上下有许多感知器官，它们每时每刻都在不断地感知周围信息并将其传给大脑，大脑则不断对这些信息进行处理，判断其是否正常和“合理”。如果出现大脑无法识别的冲突信息，大脑就会感到“困扰”，进而产生不适感。上述的“重影”“延迟”和“深度感知不连续”等现象，在人们习以为常的生活中几乎不可能出现，因此极大地加速了大脑的疲劳，甚至会导致眩晕恶心等情况，大大缩短了VR体验的时间。目前，沉浸式VR的体验时间一般为每次5 - 10分钟，连续体验不宜超过30分钟。如何为用户提供更棒的VR体验，已成为当今VR领域首要解决的问题。就目前而言，主流的硬件厂商都在以下几个方向进行不懈的努力。

1. 提高帧率、降低延迟度

一般来说，一款PC/移动游戏的帧率只需保持在30帧/秒以上，即可满足玩家流畅游戏的需求。但对于沉浸式VR体验来说，30帧/秒远远不够。在此，我们先来解释一下延迟度这个概念。

所谓“延迟度”，是指从头戴式设备的传感器将方位信息传入PC机开始，经过PC/移动设备的计算渲染，最后传回到显示屏进行显示的时间间隔，如图1所示。所以，用户眼睛真正看到的实际上是几十毫秒之前的场景。

如果延迟度过长，用户实际看到的渲染场景会“一顿一顿”地显示，进而增加VR体验的不适感，甚至让人感到眩晕。一般来说，延迟度需要小于20ms且越小越好，这样才能保证较好的VR体验。如果想要延迟度小于20ms，则必须保证帧率至少达到75帧/秒，甚至90帧/秒以上。而这种性能要求，即便是对于目前的主流家用PC机来说，也算“苛刻”了。虽然Oculus提出了Async Timewarp技术来尽可能在低帧率的情况下保证延迟度，但该方法目前仅能适用于“头部旋转”（Rotation Timewarp）和小范围慢速度的位置移动(Positional Timewarp)。对于快速移动和动态物体，该方法依然无效，如图2所示。因此，在提高VR体验时，没有任何一种方法比“提高帧率”更为有效。

2. 提升分辨率

目前的硬件需要在距离眼睛很近的位置观看，而屏幕贴近眼睛很容易产生纱窗效应，使眼睛能够看出屏幕中的格点，进而产生不适。坦白说，分辨率问题需要依靠硬件方面的提升才能得以解决。

VR与人体的关系与注意事项

实际上，人体对于环境的敏锐度超乎想象，一个舒适的VR体验远比一个美观的VR体验更为重要，因为不舒服的体验会导致人体产生强烈的排斥反应，进而造成晕眩或不适。在目前VR项目的开发原则就是不要让帧率低于75或停止更新。

VR摄像头的结构如同人的一双眼睛，有两个平行绑定的摄像头，且各自拥有独立的校准功能。在眼睛往前看的情况下，视角（FOV）范围水平角度为122°，垂直角度为120°；如果在颈部自由运动的范围下，视角（FOV）能达到水平角度210°，垂直角度160°。有趣的是，如果以每度60x60像素来算，我们认为当屏幕硬件技术进化到12K x 10K时，VR体验将会非常趋近现实。

VR体验中重要的环节还有声音，但许多开发者忽略了声音的重要性。试想把耳朵塞住看电影，整个体验将完全没有沉浸感。因为人的耳朵掌管许多事情，比如平衡感和声音传递，它们就像两个心型麦克风，人脑通过声音传递到两只耳朵的强度和时间差计算出声音的方向，分析出这段声音是否需要被注意，进而决定是转头往音源方向看去，还是忽略这段声音。这就是有名的“鸡尾酒效应”。值得一提的是，人的耳朵接受到高频音（3000Hz以上）时会下意识地往上看，而接受到低频音（750Hz以下）时会往下看，因此在制作VR项目时，这都是有利于引导使用者视线走向的好方法。

我们常常提到自己感觉到了速度，其实那指的是加速度，人体对于加速度是有感的。因此无论是飞机起飞或汽车加速时，能感觉到速度快速增加，但人体对于速度本身是感觉不到的。当飞机飞行到稳定速度时，能在机舱内安稳地用餐而不会觉得飞机正在快速移动，现在也无法感觉到地球正在定速转动。

重力感是唯一我们无法欺骗身体的感觉。比如在某个VR项目中过山车翻转了180度，但实际上身体清楚地意识到重力还是朝下，这时沉浸感就会降低，除非该项目真的配备了能转180度的座椅在体验时搭配使用。

人体比想象中更容易感到疲倦，因此如果长时间佩戴VR设备，不管是眼睛还是手部都很容易产生疲劳感。在项目中，如果过于频繁地引导玩家改变聚焦距离也很容易使人感到疲倦，因此，我们建议最佳的距离是2M - 5M。而以目前的硬件设备的性能来看，最佳的内容体验时间大约是5分钟 - 10分钟，时间过长人体就会产生疲劳感。其他比如突然晃动镜头、突然停止画面或是帧率过低都会让人体产生不舒服的感觉。

其实人类并非像我们所想的那样，希望从VR体验中得到真实感，或者说对真实感的追求是有限度的。这是因为人的情感系统天生带有移情反应，会把所有虚拟现实世界里的物体和真实世界划上等号。如果在虚拟现实世界里看到一只朝着你摇尾巴的小狗，会主观地认定它对你没有伤害而降低警觉性。而当项目是恐怖游戏时，这种移情反应将会是一个非常好的切入点。

给大家举一个有趣的例子，当去商场买衣服时，会发现假人永远都是没有头或是没有五官的几何图形，如果假人有张人脸反而会令客人产生恐惧感。这是1970年日本机器人专家森政弘根据Ernst Jentsch于1906年发表的“恐怖谷心理学”所提出的理论：当人类看到与自己形体相当的假人时会产生正面情感，但是随着假人越接近真实的人类外表与行为时，人们则会突然产生剧烈的排斥与恐惧感，直到假人与正常人类外表与行为完全一致时才会消除这份恐惧感，这样的曲线呈现看起来像是一个山谷，因此称为“恐怖谷理论”。

正因为移情反应，开发恐怖游戏更适合使用真实世界的纹理而非卡通纹理。沉浸在虚拟现实内的玩家看到锋利的刀会不由自主地想要避开，看到熊熊烈火会想要绕开。也正因为如此，虚拟现实非常适合用在军事训练上，让士兵习惯在危险的环境中生活。

VR的目前市场分析与硬件介绍

针对当前VR开发的问题，我们可以从几个切入点进行讨论。虽然VR硬件百家争鸣，但目前市场上大概有三种类型的VR硬件设备。

第1种：必须接上电脑的沉浸头戴式设备（HMD）

这种设备的代表就是Oculus Rift，其优点在于沉浸体验很好，但由于是有线设备，有限的移动范围是个障碍，因此特别适合于双脚不需移动的应用。设备本身价格比较昂贵，因此大多应用于to B的领域。现在该设备上的应用大多是短时间体验，非常适合展览或是商业活动展示，但这类活动体验的人数较多，因此如何保持设备的卫生将是个大问题。

除此之外，还有Sony的Morpheus（现改名为：PlayStation VR）和HTV的Vive等设备都即将问世。

第2种：需要自带手机的VR（Mobile VR）

现在人手一部手机，因此该类设备只要简单地将纸版折成的可容纳手机的盒子就能体验，代表性的设备有Google Cardboard、Gear VR或是国内的暴风魔镜。虽然体验没有PC头戴设备好，但由于成本低廉，易于携带，开发应用的流程也是手游开发者所熟悉的，因此今年有大量的开发者投入Mobile VR的开发行列，进而带动了整个VR市场的发展。

第3种：整合VR＋AR技术的新型态体验，进入CR（Cinematic Reality）新领域

市场上总是有往前冲的领头羊，谷歌所推出的Google Glass就是一个案例，虽然现已成为绝响，但也造就了后面的Microsoft Hololens、Magic Leap等新型态眼镜的快速进化。未来眼镜的轻量化，极强的电池续航力将是次世代VR设备的重点，但为了达到眼镜轻量化的效果，代价就是身上必须背着一个用来运算的硬件，如果运行效果能达到预期，我们将踏入次世代VR领域。

除了上述大类之外，也有许多不同的VR装置，比如投影VR或是全息VR。