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當我們遇上 VR:VR 技術在應用上的難題(上)-《VR 來了》

2016 年 08 月 11 日

編按:虛擬實境技術已經從科幻電影邁入實境應用的科技,本文選自該書《VR來了!:第一本虛擬實境專書 VR發展史、當紅產品介紹、未來應用解析》的第三章(VR 科技落時,各廠爭相分食),講述 VR 技術在面對「遲滯」所需要解決的問題,而 Oculus(美國虛擬實境科技公司)又該如何應對?

VR 設備的重大革命

在 2014 年的第 1 款消費級 Oculus Rift (內部代號 V1)投入市場、創造出無縫的虛擬實境體驗之前,他們還有不少事情要解決,不少障礙有待克服。比如完善追蹤系統、解析度、動態模糊等展示技術,比如敲定到底哪些功能會被加進來,這串清單好像長得沒有盡頭。但在這些問題背後,還有一個最關鍵的障礙,他們得解決虛擬實境的終極大難題:遲滯。正是它讓人感到頭暈、噁心甚至發熱。這是 VR 發展半個世紀以來沒有人能解決的問題,那麼 Oculus 如何避免使用者在使用時感到不適呢?

Oculus VR 頭戴式顯示器。圖片來源:Nan Palmero @flickr , CC 2.0
Oculus VR 頭戴式顯示器。圖片來源:Nan Palmero @flickr , CC 2.0

解決視、聽覺的時間延遲,是 VR 技術的首要任務

遲滯就是指輸入命令與得到對應的視覺體驗之間的時間差。比如你在使用電腦時,操作動作和電腦的反應中間出現延誤或停頓;又或者你在玩線上遊戲,網路頻寬過慢,你的所有操作就會有明顯的遲滯,電腦顯示你操作功能的時間比你真正的操作時間慢了半拍。這種情況下,遲滯帶來的僅僅是遊戲體驗上的不適。但在使用者戴上虛擬實境頭盔,它帶來的就是類似暈眩的感覺。當使用者轉動頭部,這種與真實世界之間微小的不同步就會讓他們感到想吐。

約翰‧卡馬克在部落格上曾寫道:「從延遲的角度來看,VR 技術是一項最需要『人在環裡』(Human-in-loop)的應用。對於高質量的 VR 體驗而言,最重要的是用戶頭部物理移動與 HMD 上即時更新圖像到達用戶眼睛之間的延遲時間。人類的感官系統在一定範圍內能感知到視覺和聽覺的延遲,但是當絕對延遲控制在 20 毫秒以內的時候,這些延遲幾乎就察覺不到了。目前互動式的 3D 系統造成的延遲要比這個數字高上幾倍,但如果不斷改良同一組硬體的話,我們終究會滿足要求。」

延遲問題是 Oculus 所面對的重大關卡,這也是整個 VR 產業需要解決的主要問題。延遲會影響沈浸式體驗,也會造成玩家的暈眩嘔吐和不適,所以找出造成這一問題的原因和解決方法十分重要。

傳統的電腦介面大抵上都沒有那麼低的延遲,但是敏感的用戶還是能感覺出 20 毫秒或更低延遲之間的差異,這使得這項技術還能被用於 VR 之外的領域。

一個比較有趣的應用範例是雲端遊戲 - 用戶透過簡單的客服端應用發送至遠端伺服器,然後伺服器持續不斷地回傳遊戲的動作畫面。這能給予用戶難以想像的便利 - 但是由於受到網路和壓縮延遲的限制,這也降低了遊戲的體驗感。

VR 遊戲與現實畫面對比。圖片來源:Fallout 4 con Play VR! 影片截圖
VR 遊戲與現實畫面對比。圖片來源:Fallout 4 con Play VR! 影片截圖

VR 最佳體驗的標準是延遲在 50 毫秒內就會感覺相對不錯,但還是能感覺到。當延遲低於20毫秒,人類就無法感知出來了。預測感測器數據可以幫助減緩系統延遲,但即使是最精準的人類頭部移動模型,在實際使用時,還是會有預測不準的時候。

早期的 LCD(液晶顯示器)在畫面滾動和變化的時候,因會有幾十秒的殘影而飽受詬病,但在過去 20 年裡,這一技術有了長足的進步。LCD 每一個像素點的轉換時間取決於色彩變化的程度,一塊優秀面板的轉換時間能控制在大約 10 毫秒之內,而為 3D 顯示和遊戲而強化過的顯示器,甚至能減少一半左右的切換時間。

一些不常見的顯示技術比 LCD 面板的刷新速度更高;有機發光二極體顯示螢幕(OLED) 單元像素的刷新時間低於1毫秒,而 OLED 和陰極射線顯示器(CRT) 反應一樣及時。

另一個不易察覺的延遲是:大多數顯示器是逐行顯示圖像的,而顯示器的圖像是從電腦裡讀取,但由於電腦本體原因,會導致幀率 60 fps 的顯示器,螢幕底部的畫面比頂部的更新時間慢 16 毫秒左右

在靜止的螢幕上,這根本不算問題。但在 HMD 裡,因為原圖像是即時渲染出的,顯示在螢幕上的時間不同,可能會造成圖像的側邊被裁剪掉;或轉動頭部時,圖像出現晃動。這在使用 LCD 螢幕的 HMD 時不易察覺,但在刷新更快的 OLED 螢幕的 HMD 上就很容易感到不適。

一個解決立體渲染降低延遲的方案是:將圖形處理系統拆成兩個,並分別配備一個 GPU(圖形處理器),每個 GPU 只需單獨渲染一隻眼睛的圖像,這樣可以達到最佳的性能表現和最低的延遲,其代價是設備要能夠管理兩個相互獨立的緩存。但它的問題是如果設備無法維持兩個 GPU 的緩存,設備的數據吞吐率下降,在緩存過載的情況下會導致幀率更嚴重地下降。

當然,完全解決遲滯是不可能的,問題在於遲滯要降到多小才能避免使用者感到不適。隨著晶片計算能力的提高,不少頭戴顯示器和虛擬實境設備都宣稱自己把遲滯降到了某個數值之下,這些數值下的解決方案或許能解決大多數明顯的延遲,但仍舊不能保證配戴者的舒適程度。對此,拉基曾說道:

哪怕視覺上察覺不到遲滯,你還是很容易因為它而感到不舒服。虛擬實境產業的人尚未就人類到底對遲滯有多敏感達成一致,好像每次發表新的產品,總會發現人們還能再敏感一些。

 

VR-來了

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