深入淺出：解析VR體驗(yàn)要素

雷鋒網(wǎng)按：本文出自國(guó)內(nèi)某研究機(jī)構(gòu)，雷鋒網(wǎng)獨(dú)家發(fā)布。

摘要：VR逐漸應(yīng)用到影視、游戲、購(gòu)物、社交等各個(gè)領(lǐng)域中，如同智能手機(jī)一樣，VR將會(huì)對(duì)人們的生活方式產(chǎn)生巨大影響。但是目前可能大部分人對(duì)VR還沒(méi)有很清晰的認(rèn)識(shí)，因此本文從消費(fèi)者角度介紹一些基本的VR體驗(yàn)要素，理清一些容易混淆的概念，幫助更多人去深入了解VR這個(gè)“高科技”。

關(guān)鍵詞：VR，VR體驗(yàn)

一、VR概念

1.1 VR概念

VR的中文名稱是虛擬現(xiàn)實(shí)，它利用計(jì)算機(jī)和各種傳感技術(shù)，使人能夠在模擬的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行各種活動(dòng)。我們體驗(yàn)VR的設(shè)備是VR頭顯，目前市面上的VR頭顯可為三大類：

• PC/主機(jī)VR

• 移動(dòng)VR

• VR一體機(jī)

PC/主機(jī)VR需要連接PC或主機(jī)才能工作，性能比較強(qiáng)大，具有位置跟蹤和體感交互功能。移動(dòng)VR需要插入手機(jī)使用，受手機(jī)限制所以各方面性能都不及前者。而VR一體機(jī)是獨(dú)立的式的VR設(shè)備，直接戴上就能開(kāi)始體驗(yàn)。

1.2 VR新體驗(yàn)

VR能夠提供與現(xiàn)實(shí)環(huán)境同樣的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官體驗(yàn)。例如在看王菲演唱會(huì)的VR直播時(shí)，我們可以環(huán)顧周圍360度的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，既可以欣賞天后在臺(tái)上勁歌熱舞，也可以扭過(guò)頭來(lái)跟著周圍的粉絲一起揮手吶喊，感覺(jué)就在演唱會(huì)現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)中，也就是沉浸感十足。

VR能夠提供符合人體行為習(xí)慣的交互體驗(yàn)。例如在游戲時(shí)我們可能會(huì)像哈利波特一樣，邊念咒語(yǔ)邊揮動(dòng)魔法棒來(lái)施放魔法，在觀看NBA直播時(shí)可能會(huì)與其他觀眾擊掌助興，這一切交互行為都如同在現(xiàn)實(shí)生活般自然，一個(gè)手勢(shì)，一個(gè)眼神，都可以成為我們的輸入控制方式！

1.3 VR和3D電影的區(qū)別

VR和3D電影的立體顯示原理都是基于人體左右眼的視差，但是實(shí)現(xiàn)方式略有不同，3D電影的常用做法是，把左右眼對(duì)應(yīng)的圖像加不同的偏振光，然后重疊在一起，通過(guò)屏幕播放出來(lái)，裸眼觀看是模糊的，戴上對(duì)應(yīng)于左右眼的偏振光眼鏡之后觀看，使左眼看到左眼圖像，右眼看到右眼圖像。而VR的做法比較簡(jiǎn)單直接，就是為左右眼提供具有視差的兩組圖像。雖然都是具有立體視覺(jué)效果，但是VR和3D電影最大的不同點(diǎn)在于VR提供的是沉浸式的體驗(yàn)，讓人仿佛身臨其境。

                  3D電影：左右眼圖像疊加                                       VR：左右眼圖像顯示

                    3D電影：立體效果                                           VR沉浸：立體效果+全景

1.4 VR融入生活

可能有的人認(rèn)為VR十分“科幻”，是很遙遠(yuǎn)的東西，不，VR已經(jīng)在慢慢融入我們的日常生活了。春晚、NBA、明星(王菲)演唱會(huì)等時(shí)事熱點(diǎn)、娛樂(lè)活動(dòng)已經(jīng)采用VR的方式直播，YouTube、騰訊視頻、優(yōu)酷等大量視頻平臺(tái)已經(jīng)在提供VR全景視頻，還有VR游戲、淘寶BUY+ VR購(gòu)物，以及說(shuō)走就走的VR旅游(谷歌地球)。其實(shí)我們生活的各個(gè)方面都有看到VR的影子。

二、VR體驗(yàn)及其相關(guān)要素

體驗(yàn)過(guò)VR的人應(yīng)該知道，雖然VR很有吸引力，但是目前的VR體驗(yàn)還不夠滿足我們的要求。首先是視覺(jué)上看起來(lái)不夠清晰，然后是容易造成眩暈惡心。下面我們介紹VR體驗(yàn)及其相關(guān)要素。

2.1畫(huà)面體驗(yàn)要素

2.1.1清晰度

通常，視頻分辨率是我們衡量視頻清晰度的一個(gè)指標(biāo)。以視頻分辨率為例，首先我們給出大家所熟悉的普通視頻分辨率，如下表：

但是，兩個(gè)相同分辨率普通視頻和VR全景視頻，他們的觀看效果是不一樣的。假設(shè)在顯示器支持的條件下，普通的4K視頻片源，在顯示器中顯示的畫(huà)面就是4K的。而在4K全景視頻會(huì)先把畫(huà)面還原到一個(gè)空間球面上，人在空間球里面往外看，只能看到視場(chǎng)角范圍內(nèi)的部分球面，所以顯示器只能顯示4K全景視頻畫(huà)面的一部分。例如王菲演唱會(huì)的VR直播是4K的，但是觀看起來(lái)清晰度要比4K低許多，因此不少人抱怨沒(méi)有看清天后的面容。

另外清晰度也和顯示器有關(guān)。一方面，高清晰度的視頻需要高分辨率的顯示器來(lái)支持，顯示器分辨率越高，對(duì)于觀看的清晰度越好。另一方面，人和顯示器的距離也會(huì)影響到觀看是否清晰。例如普通的2K電視，我們的觀看距離大概是2-3米甚至更遠(yuǎn)，這時(shí)會(huì)覺(jué)得挺清晰的，但是如果我們靠近到半米內(nèi)觀看，就會(huì)覺(jué)得不清晰。在VR中，屏幕距離人眼大概5-10cm，經(jīng)過(guò)透鏡光學(xué)放大后，大概會(huì)在前方25-50cm處成像，想象下在半米內(nèi)看2K電視會(huì)看到什么，可能是顆粒和鋸齒！

從生理角度看，這其實(shí)與人眼視覺(jué)有關(guān)。人眼在一度的視角內(nèi)所能看到的像素?cái)?shù)稱為PPD(Pixels Per Degree)，一般而言PPD越大，觀看清晰度越高，當(dāng)PPD達(dá)到60(人眼視網(wǎng)膜極限)時(shí)觀看清晰度最高。以4K(3840*1920)的VR全景視頻為例，其水平方向PPD約為11(3840/360=10.67)，遠(yuǎn)低于60，而觀看普通標(biāo)清視頻的PPD約為11，所以從PPD的角度看，目前的4K VR全景視頻和標(biāo)清的普通視頻觀看起來(lái)清晰度是差不多的。

不過(guò)不用擔(dān)心，VR全景視頻的體驗(yàn)很快會(huì)得到大幅提升，因?yàn)樵赩R全景視頻制作中，專業(yè)級(jí)的全景攝像機(jī)已經(jīng)可以生成8K的全景視頻源，而顯示屏也將在2017年升級(jí)為4K。

那為什么8K全景視頻需要4K顯示屏呢？我們知道8K電視觀看8K視頻是比較理想的，但在VR全景視頻中不是。8K全景視頻的水平PPD約為22(7680/360=21.33)，我們以最基礎(chǔ)的90度FoV要求來(lái)估算，則單眼水平像素?cái)?shù)為21.33*90=1920，即屏幕分辨率需要達(dá)到單眼1920*1920，雙眼3840*1920，也就是需要4K屏了。用同樣的方法可以得到4K全景視頻需要2K分辨率的顯示屏。如果以Vive和Rift的110度FoV計(jì)算，結(jié)果會(huì)略有偏差，但總的來(lái)說(shuō)，雙眼2K的頭顯適合看4K VR全景視頻，雙眼4K的頭顯適合看8K VR全景視頻。

2.1.2眩暈感

在體驗(yàn)VR時(shí)，畫(huà)面經(jīng)常是變化的，而人通常是靜止的，這時(shí)候容易感到眩暈，和暈車暈船的情況差不多。這種情況下，變化的畫(huà)面通過(guò)人體的視覺(jué)系統(tǒng)傳到大腦，大腦認(rèn)為畫(huà)面變化是由于身體發(fā)生了某些運(yùn)動(dòng)引起的，而控制著身體平衡與協(xié)調(diào)的耳前庭器官并沒(méi)有向大腦反饋身體的運(yùn)動(dòng)信息，因此大腦感受到視覺(jué)信息和運(yùn)動(dòng)的不協(xié)調(diào)，就可能會(huì)導(dǎo)致眩暈、惡心或者嘔吐等反應(yīng)，俗稱暈動(dòng)癥。暈動(dòng)癥也和個(gè)體的體質(zhì)有關(guān)，正如有的人容易暈車而有的人天生就不暈。

天生暈VR的人通過(guò)后天的鍛煉可以克服VR暈動(dòng)癥，同時(shí)設(shè)備商也會(huì)從設(shè)備角度幫助我們減少暈動(dòng)癥的影響。經(jīng)過(guò)研究，引起VR眩暈的一個(gè)主要原因是MTP(Motion To Photons)時(shí)延，MTP時(shí)延是指從頭動(dòng)到顯示出相應(yīng)畫(huà)面的時(shí)間。MTP時(shí)延太大容易引起眩暈，目前公認(rèn)的是MTP時(shí)延低于20ms就能大幅減少暈動(dòng)癥的發(fā)生。為降低MTP時(shí)延，一方面需要提升GPU的渲染性能，另一方面需要將顯示屏的刷新率提高到75HZ以上，目前Vive和Rift都達(dá)到了90HZ的屏幕刷新率。所以不用太擔(dān)心眩暈的問(wèn)題。

2.1.3流暢性

提高刷新率的另一個(gè)好處是使畫(huà)面更加流暢。一講到刷新率，大家自然會(huì)聯(lián)想到幀率。刷新率和幀率是不同的概念，但它們影響了VR體驗(yàn)的流暢性。

普通電影一般是24FPS的幀率，看起來(lái)是足夠流暢，而李安的《中場(chǎng)戰(zhàn)事》有120FPS，更加流暢，據(jù)說(shuō)全球只有5家電影院能播放！這是因?yàn)楦邘实囊曨l需要高刷新率的顯示器來(lái)匹配，例如用60HZ的顯示器來(lái)播放120FPS的視頻，那么顯示器會(huì)每隔一幀顯示一個(gè)畫(huà)面，人看到的還是60FPS的效果，因此刷新率是畫(huà)面變化速度的上限。反過(guò)來(lái)用60HZ的顯示器來(lái)播放30FPS的視頻，那么顯示器會(huì)把每一幀畫(huà)面顯示兩次，人在這一秒看到的是30幀畫(huà)面，所以在顯示器支持的情況下，幀率代表了畫(huà)面實(shí)際的流暢性。

電影利用了人眼視覺(jué)暫留特性形成流暢的畫(huà)面，一系列靜態(tài)畫(huà)面以每秒 24幀播放，就能騙過(guò)大腦產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的感覺(jué)。但是在一些大型游戲中，24FPS還不夠，例如CS、LOL游戲可能需要60FPS或以上才感覺(jué)流暢。拍攝電影所用的膠片或者數(shù)碼感光元件也像人眼一樣具有視覺(jué)殘留，以24FPS為例，每幀電影畫(huà)面記錄的是1/24秒內(nèi)所有物體的運(yùn)動(dòng)軌跡影像，于是人眼觀看起來(lái)感覺(jué)很流暢很舒服。而游戲的畫(huà)面是GPU渲染出來(lái)的，每幀游戲畫(huà)面對(duì)應(yīng)的是一個(gè)瞬間的影像，即使是運(yùn)動(dòng)很快的物體也會(huì)渲染得很清晰，不符合人眼的觀看習(xí)慣，于是感覺(jué)很矛盾、不流暢。

這種情況在VR中會(huì)更突出，而不流暢的畫(huà)面也可能會(huì)引起眩暈，所以VR需要高刷新率的顯示器，同時(shí)還要高性能的GPU來(lái)保證穩(wěn)定的、比較高的幀率。

2.2交互體驗(yàn)要素

為什么大家都覺(jué)得廉價(jià)的VR盒子體驗(yàn)不好呢？很大的一個(gè)原因是因?yàn)樗慕换ズ苌伲换タ梢院?jiǎn)單地理解為我們向VR系統(tǒng)的輸入和VR系統(tǒng)向我們的反饋。好的交互能帶來(lái)更強(qiáng)的沉浸感，試想在PSVR中玩《生化危機(jī)7》的時(shí)候，用自己的手來(lái)拿武器攻擊喪尸比用手柄來(lái)控制，是不是更帶感？交互包括了位置追蹤、輸入控制和反饋等方面。

2.2.1追蹤系統(tǒng)

如果人在VR中發(fā)生了移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，而畫(huà)面沒(méi)有得到相應(yīng)的變化，那么就會(huì)感到不自然，所以需要進(jìn)行追蹤。我們移動(dòng)的方向有三組，前后左右上下，頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)方向也是有三組，左看右看，上看下看，還有左右歪著頭看，所以一共是有6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，稱為6DoF(Degree of Freedom)。普通的VR盒子只能追蹤頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)，只有3DoF。當(dāng)然更自然的、更好的是6DoF的追蹤。

隨著2017年1月份的CES展會(huì)，inside-out的追蹤基本成為VR盒子、VR一體機(jī)的標(biāo)配。對(duì)應(yīng)的還有outside-in追蹤，Vive/Rift/PSVR的追蹤系統(tǒng)就屬于outside-in。所謂的outside-in 是需要在頭顯的外部空間放置一些追蹤設(shè)備，例如Vive的兩個(gè)lighthouse基站。而inside-out就是在頭顯內(nèi)部集成了追蹤系統(tǒng)，不需要再安裝其他設(shè)備了。它們是兩種不同的追蹤方式，各有優(yōu)劣。

2.2.2輸入控制和反饋

好的VR體驗(yàn)，還需要有好的輸入控制和反饋系統(tǒng)。例如手勢(shì)識(shí)別可以讓我們更自然的控制虛擬化身的手，表情識(shí)別可以極大地方便我們?cè)赩R中分享心情。另外，人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)可以直接關(guān)系到VR的沉浸感。立體視覺(jué)和立體音效已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，觸覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)的反饋技術(shù)也在加快發(fā)展。在VR中，“這是一個(gè)有味道的視頻”就不再是調(diào)侃了。

三、良好VR體驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)需求

有了好的VR設(shè)備，我們還需要好的網(wǎng)絡(luò)來(lái)支撐VR應(yīng)用的體驗(yàn)。例如我們通過(guò)VR看全景視頻時(shí)，如果網(wǎng)絡(luò)帶寬不夠，就會(huì)發(fā)生卡頓，卡頓情況嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致身體不適。還有在玩VR在線游戲時(shí)，如果網(wǎng)絡(luò)時(shí)延較大，輕則輸?shù)粲螒颍貏t引發(fā)頭暈惡心。因此VR體驗(yàn)的好壞還受到網(wǎng)絡(luò)的影響。接下來(lái)為普通家庭介紹良好VR體驗(yàn)具體需要的網(wǎng)絡(luò)。

3.1 良好VR體驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)需求

如果是主要是看VR視頻，那么需要比較大的帶寬，根據(jù)iLab發(fā)布的《面向VR業(yè)務(wù)的承載網(wǎng)絡(luò)需求白皮書(shū)》，看4K全景視頻大概需要25Mbps的帶寬，看8K全景視頻大概需要100Mbps的帶寬。具體計(jì)算公式為：每幀像素?cái)?shù)(7680*3840)*色深(8bit)*每秒的幀數(shù)(30fps)*YUV420采樣率(3/2)*H264的壓縮比(1/165)*經(jīng)驗(yàn)值(1.5)。

為了提高我們的觀看體驗(yàn)，2017年VR全景視頻會(huì)逐步提升至8K，所以建議按照8K全景視頻的帶寬需求來(lái)計(jì)算。另外需要考慮一個(gè)家庭的VR終端數(shù)，中國(guó)家庭戶均人數(shù)約為3人，那么普通家庭可能會(huì)擁有1-3個(gè)VR終端，所以建議100-300Mbps的帶寬套餐。

如果主要是玩VR游戲，對(duì)帶寬的需求沒(méi)有看VR全景視頻那么高，但是對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的要求卻比較高。玩VR在線游戲時(shí)，網(wǎng)絡(luò)主要是負(fù)責(zé)傳輸一些控制數(shù)據(jù)，為了減少暈動(dòng)癥的發(fā)生，需要保證網(wǎng)絡(luò)時(shí)延+設(shè)備處理時(shí)延小于20ms。設(shè)備處理時(shí)延包含屏幕的刷新周期11.1ms、傳感器采樣時(shí)間1ms、顯卡渲染時(shí)間(大概幾毫秒)，所以留給網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)間不多了，建議使用光纖套餐。

綜合考慮，目前可以推薦100-300Mbps的家庭光纖帶寬。

3.2 VR對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求仍在提高

第一，目前的VR還處于發(fā)展早期階段或入門(mén)體驗(yàn)階段，未來(lái)1-2年會(huì)有較大體驗(yàn)提升，包括分辨率更高、幀率更高、視場(chǎng)角更大、基本不會(huì)眩暈等。第二，社交元素在不斷地融入到VR應(yīng)用當(dāng)中，通過(guò)VR聊天，玩多人在線的VR游戲等等。所以未來(lái)幾年良好VR體驗(yàn)將會(huì)需要更高的家庭帶寬和更低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)。

雷峰網(wǎng)特約稿件，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見(jiàn)轉(zhuǎn)載須知。