基于虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器用戶體驗(yàn)研究

楊磊

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)作為一門新興的綜合性技術(shù)，其應(yīng)用性受到廣泛的關(guān)注。隨著消費(fèi)級的VR頭戴式顯示器產(chǎn)品及相關(guān)產(chǎn)業(yè)活躍發(fā)展，標(biāo)志著VR技術(shù)的運(yùn)用將不僅局限于前沿科技研究領(lǐng)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(fā)基于頭戴式顯示器的VR項(xiàng)目亦面臨很多技術(shù)難題，其中攝像機(jī)的運(yùn)動模式是尤其關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，本文結(jié)合VR技術(shù)的發(fā)展、特征，通過對基于頭戴式顯示器VR案例的分析，總結(jié)出四類適宜的VR攝像機(jī)運(yùn)動模式，為VR用戶體驗(yàn)相關(guān)研究提供一些思路。

關(guān)鍵詞：VR 頭戴式顯示器 攝像機(jī) 運(yùn)動模式

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

一、研究背景

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是二十世紀(jì)中后期提出，二十世紀(jì)末期逐漸興起的一門綜合性技術(shù)，作為仿真技術(shù)的重要方向，VR技術(shù)結(jié)合了計算機(jī)圖形學(xué)、傳感技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、人工智能等前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域，是一門極具潛力和活力并充滿挑戰(zhàn)的研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)旨在利用計算機(jī)、顯示設(shè)備、傳感交互設(shè)備等平臺模擬包括環(huán)境、感知、自然行為等，以突破用戶和系統(tǒng)之間的界限，打破傳統(tǒng)表現(xiàn)形式的局限，使用戶沉浸到逼真的虛擬環(huán)境中，這個虛擬環(huán)境不僅可以將人無限的想象力實(shí)現(xiàn)，并且可以讓用戶以自然行為與虛擬環(huán)境進(jìn)行交流互動。[1]

VR技術(shù)具有三大基本特征：浸入性，即用戶通過顯示設(shè)備及傳感交互設(shè)備在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)到的真實(shí)感；交互性，即用戶與虛擬環(huán)境的行為輸出，并得到實(shí)時、多感官的反饋體驗(yàn)；構(gòu)想性，即用戶在虛擬環(huán)境中將抽象概念具象可視化的過程體驗(yàn)。[2]基于這些特征，VR技術(shù)自誕生起就備受矚目，并且已經(jīng)已經(jīng)在航天航空仿真訓(xùn)練、軍事模擬、科學(xué)計算可視化等領(lǐng)域得到了極有價值的應(yīng)用，許多國家甚至將VR技術(shù)的研究建設(shè)提升至戰(zhàn)略地位。隨著計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，特別是VR硬件設(shè)備的快速發(fā)展升級，為VR技術(shù)的應(yīng)用提供了更好的操作性和更廣泛的運(yùn)用領(lǐng)域。

二、VR硬件設(shè)備概述

VR硬件設(shè)備大致可以分為四類：建模設(shè)備，例如3D掃描儀、3D打印機(jī)等；視覺顯示設(shè)備，例如3D投影系統(tǒng)、頭戴式立體顯示器等；交互設(shè)備，例如位置追蹤系統(tǒng)、力反饋設(shè)備等。其中，因?yàn)樗N(yùn)含的巨大商業(yè)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(guān)注，三大頭戴式顯示器開發(fā)廠商Oculus、HTC、索尼都相繼推出了消費(fèi)級的VR頭戴式顯示器產(chǎn)品和相應(yīng)的VR平臺。

目前的三大主流VR頭戴式顯示器產(chǎn)品Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR均是桌面級的產(chǎn)品，硬件設(shè)計上比較相似，主要由頭戴顯示器、操作柄、動作捕捉系統(tǒng)但部分組成。頭戴顯示器相當(dāng)于VR環(huán)境中的一部攝像機(jī)，用戶通過鏡頭感覺身處360°真實(shí)的虛擬環(huán)境中。三款產(chǎn)品都集成了頭部運(yùn)動追蹤、位置追蹤系統(tǒng)，其中Oculus Rift和索尼PlayStation VR使用單個動作感應(yīng)攝像頭來識別用戶運(yùn)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(dá)37個LED傳感器，能夠與安裝在房間中的兩個傳感器構(gòu)成一個4.5米見方的動作捕捉空間，在這個空間內(nèi)用戶可以自由活動。

三、VR頭戴式顯示器在游戲、影視領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著消費(fèi)級VR頭戴式顯示器產(chǎn)品的活躍發(fā)展，標(biāo)志著VR技術(shù)的運(yùn)用將不僅局限于前沿科技研究領(lǐng)域，而廣泛地適用于大眾生活、娛樂的時代即將到來。相應(yīng)的，VR技術(shù)在游戲、影視領(lǐng)域掀起了不小的浪潮。

就游戲本身的發(fā)展而言，隨著技術(shù)的發(fā)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(qiáng)，其目的正是在于將想象的環(huán)境具象化、擬真化，然后讓用戶置身其中，交互體驗(yàn)。VR技術(shù)的特征與游戲開發(fā)的訴求不謀而合，VR技術(shù)的出現(xiàn)，讓游戲開發(fā)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(yàn)的VR硬件設(shè)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(chǎn)品Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR平臺的游戲產(chǎn)品已有百余部，越來越多的游戲開發(fā)者將目光投向了VR平臺。

相對游戲而言，因?yàn)楫?dāng)前VR硬件和技術(shù)上的局限性，VR技術(shù)與影視的結(jié)合還處于探索階段，藝術(shù)家們已經(jīng)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(yàn)將為影視藝術(shù)賦予更為豐富的表現(xiàn)力和更加深層的感染力；VR的交互特征可以為影視藝術(shù)創(chuàng)造全新的屬性，讓觀眾與作品對話，使觀眾進(jìn)入作品，去操縱、觀察，甚至再創(chuàng)造。VR技術(shù)與影視藝術(shù)的結(jié)合是必然的趨勢。

當(dāng)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(zhàn)，攻克許多難題，其中，攝影機(jī)的運(yùn)動模式是一個很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

四、VR頭戴式顯示器攝像機(jī)運(yùn)動模式探索

盡管游戲開發(fā)和影視制作的流程和環(huán)節(jié)大相徑庭，但開發(fā)者或制作者在面對基于頭戴式顯示器的VR項(xiàng)目時，都要面對同一個問題，那就是如何應(yīng)對和解決用戶在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)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(jī)移動時造成的相對運(yùn)動錯覺（Vection Illusion）： 當(dāng)觀察者視域內(nèi)一大片的區(qū)域運(yùn)動時，觀察者會認(rèn)為自己在運(yùn)動，而周圍的世界是靜止固定的。[3]舉個例子，當(dāng)觀察者身處一節(jié)?？吭诨疖囌净疖囓噹?，這時一列火車從旁邊經(jīng)過，觀察者會產(chǎn)生錯覺，認(rèn)為自己所處的這列火車在向相反的方向運(yùn)動。與傳統(tǒng)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(huán)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(shè)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(qū)域內(nèi)移動，而不論游戲或影視，在VR環(huán)境中難免涉及鏡頭的移動及切換，這個環(huán)節(jié)很若不妥善處理，很容易讓用戶產(chǎn)生相對運(yùn)動錯覺，進(jìn)而引發(fā)VR暈動癥，讓用戶體驗(yàn)大打折扣，。

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

（1）盡可能使用靜態(tài)的攝像機(jī)，或保證鏡頭的旋轉(zhuǎn)及移動與用戶的運(yùn)動一致。這樣用戶的視覺和自身的運(yùn)動相吻合，則不會產(chǎn)生相對運(yùn)動錯覺，也就從本質(zhì)上避免了VR暈動癥。這種運(yùn)動模式在VR游戲《實(shí)驗(yàn)室》（The Lab）、《VR僵尸游戲》（VR zGame）中有廣泛的應(yīng)用，VR電影《Henry》中也使用了大量的靜態(tài)攝像機(jī)。這種模式通常不允許攝像機(jī)移動，只通過頭盔的運(yùn)動捕捉系統(tǒng)來捕捉用戶頭部的轉(zhuǎn)動，以控制攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)，因此給客戶的體驗(yàn)就是自己始終站立在原地而觀察周圍的虛擬環(huán)境。這種攝像機(jī)運(yùn)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(jī)的移動，機(jī)位缺乏變化，鏡頭語言枯燥。

（2）設(shè)置相對于攝像機(jī)的靜態(tài)參照物。當(dāng)無法避免攝像機(jī)運(yùn)動時，為了避免相對運(yùn)動錯覺，可以設(shè)置相對于攝像機(jī)靜止的參照物。例如Oculus Rift平臺的實(shí)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(zhuǎn)迷宮面板，在旋轉(zhuǎn)的過程中若沒有相對于攝像機(jī)靜止的參照物，用戶很容易產(chǎn)生相對運(yùn)動錯覺，認(rèn)為旋轉(zhuǎn)的不是迷宮面板而是自己，進(jìn)而引發(fā)VR暈動癥，所以開發(fā)者巧妙地在迷宮面板中央添加了相對于攝像機(jī)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(zhuǎn)運(yùn)動。類似的例子還有飛行模擬、賽車競速等，設(shè)置相對攝像機(jī)靜止的機(jī)艙、駕駛室作為參照物，用戶就能很好地區(qū)分運(yùn)動主體和建立速度感。

（3）設(shè)置與速度匹配的誘導(dǎo)物。在攝像機(jī)運(yùn)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(yīng)攝像機(jī)的運(yùn)動。但這種攝像機(jī)移動模式和靜止攝像機(jī)一樣單調(diào)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(jī)運(yùn)動來保證生動的鏡頭語言。為了減輕攝像機(jī)運(yùn)動變化帶來的VR暈動癥，可以設(shè)置與速度相匹配的誘導(dǎo)物。例如育碧開發(fā)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(yīng)速度變化的誘導(dǎo)物，以降低用戶產(chǎn)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(tǒng)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(jī)給用戶帶來的第一人稱臨場感完美搭配。由酷咔數(shù)字開發(fā)的VR游戲《雇傭兵》（Mercenary）大量運(yùn)用了這兩種切鏡頭的模式，創(chuàng)造了十分良好的第一人稱射擊類（FPS）VR游戲的用戶體驗(yàn)。

五、結(jié)語

攝像機(jī)運(yùn)動模式是VR項(xiàng)目開發(fā)中重要的一環(huán)，攝像機(jī)移動模式是否適宜往往就決定了一部VR作品品質(zhì)的優(yōu)劣。然而攝像機(jī)運(yùn)動模式僅僅是VR技術(shù)研究領(lǐng)域的一個環(huán)節(jié)，它與VR顯示技術(shù)、VR傳感技術(shù)、VR反饋技術(shù)等方面相互交叉、 作用，VR技術(shù)的日益成熟，將提供更優(yōu)化的攝像機(jī)運(yùn)動模式，創(chuàng)造更佳的用戶體驗(yàn)。因此，需要時刻關(guān)注相關(guān)領(lǐng)域的最新發(fā)展動向和研究成果，跟進(jìn)VR技術(shù)發(fā)展趨勢，充分應(yīng)用和發(fā)揮VR的魅力。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡西偉.基于三維動畫與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理論研究[D].武漢大學(xué)，2005

[2]肖夢雪. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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.