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VR眩晕（又称Cybersickness）是人们对早期VR技术最普遍的抱怨之一。导致VR眩晕的原因有很多，既有硬件性能因素，也包括虚拟内容呈现方式的原因。和晕车症状一样，不同人群对VR眩晕的敏感程度也存在很大差异。早期VR技术相对落后，其图像渲染速度较慢、延迟较高，更容易导致眩晕。同时，由于光学和显示性能不足，用户长时间暴露在低画质和立体成像效果差的环境中，也更容易产生眩晕。
自从VR技术问世以来，产业界和学术界一直在探索改善导致眩晕症状的因素，包括硬件、交互、VR内容和人因工程等方面。通过搜索关键词“Cybersickness”，可以找到13000多篇文献和专利：
如果归纳一下硬件和内容所导致的 VR 眩晕，主要因素可以概括为以下几类：
- 追踪画面延迟（运动到光子延迟，motion-to-photon latency）
- 3D 显示辐辏调节冲突（Vergence-accommodation conflict，VAC）
- 视觉晕动效应（Vection）
接下来我们会简单总结一下当前行业领先的头戴显示设备（HMD）是如何处理这些问题的。
MTP 延迟
头显需要追踪用户头部运动，然后转化为虚拟画面渲染的角度调整，业界通常认为 MTP 延迟在 20ms 以内才不会让用户感觉到明显的画面延迟：
基于视频透视（Video See-through，VST）的头显（如 Apple Vision Pro）除了追踪用户头部运动之外，还需要实时拍摄环境信息并通过视频流的方式呈现给用户，同时还要完成虚拟场景和真实场景的融合渲染：
最新发布的 Meta Quest 3 在骁龙 XR2 Gen2 芯片的支持下，支持多达 10 个并发摄像头和全彩、超快的透视/穿透功能，延迟时间小至 12ms；苹果也为 Apple Vision Pro 专门设计了用于处理 VST 视频流的 R1 芯片，并宣称图像到显示的延迟可以控制在 12ms 以内，这比人类眨眼的速度还要快 8 倍！
R1 virtually eliminates lag, streaming new images to the displays within 12 milliseconds. That’s eight times faster than the blink of an eye!
辐辏调节冲突（VAC）
在现实世界中，当我们注视一个物体时，我们的眼睛会自然地调整焦距，使得物体清晰地显示在视网膜上。但是，在虚拟现实中，由于虚拟现实头戴式显示器的显示屏距离眼睛非常接近，因此眼睛需要调整焦距来适应显示屏的距离，以确保虚拟世界的物体清晰可见。然而，当眼睛调整焦距时，眼睛的调节和聚焦并不总是同步进行，可能会导致眼睛的疲劳和不适感。这种不协调就是辐辏调节冲突。
举一个不是特别恰当的例子类比，VAC 所带来的视觉疲劳和眩晕就像是长时间斗鸡眼带来的感觉一样：
VAC 是近眼 3D 显示中普遍存在的问题，即便是 Apple Vision Pro 也不能完全消除这一因素对用户长时间佩戴所带来的视觉疲劳、眩晕的影响。影视飓风的 Tim 在评测苹果 Vision Pro 的视频里有提到戴了半小时后摘下来，看现实世界会觉得特别 3D，这很有可能就是眼睛在 VAC 冲突条件下适应了一段时间之后对现实世界非冲突状态的重新适应。
这一问题哪怕是在基于光学透视（OST）的 AR 眼镜中也是存在的，其本质是大脑接收到的辐辏和调适信息相互矛盾：
为了减轻 VAC 的影响，虚拟现实技术正在研究和开发新的显示技术，如多焦点显示、光场显示等，以更准确地模拟现实世界中的焦距和视觉体验。此外，一些虚拟现实应用程序还提供了眼动跟踪技术，可以根据用户的眼动数据来调整虚拟世界的焦距，减少辐辏调节冲突的发生。
例如 Meta Reality Labs 在 SIGGRAPH 2023 推出的可变焦点头显原型方案：
视觉诱发的晕动症（visually induced motion sickness，VIMS）
除了上述硬件与显示性能导致的 VR 眩晕之外，虚拟内容本身也是造成用户眩晕的重要因素。尤其是当虚拟内容中存在大量高速运动的场景时，会给人产生自己正在运动的错觉：
【请不要长时间盯着下图观看】
研究一般认为视觉信息和前庭系统的感觉冲突是导致 VIMS 的主要原因，在现实世界中，人们的视觉系统和平衡系统是相互协调的。例如，当人们乘坐车辆时，他们的视觉系统会感知到车辆移动的画面，但前庭平衡系统会感知到车辆的运动状态，两个系统的信息是相互协调的。然而，在虚拟现实中，由于图像渲染速度不足、延迟等因素，虚拟现实中的图像往往与人们的运动状态不一致，导致视觉系统和前庭平衡系统之间的信息不协调，从而引起眩晕等不适症状。
运动内容设计建议
为了尽量避免视觉诱发的眩晕，Apple 和 Meta 都针对虚拟内容和交互方式给出了设计规范和建议。WWDC 2023 有一节专门关于 visionOS 视觉和运动设计考虑因素的演讲（Session-10078），包括以下这些对于虚拟内容的设计建议：
- 将运动中虚拟内容（窗口）的尺寸控制在合理范围内
- 尽量减少不必要的动态效果，必要时采用柔和、渐变而非突兀的动效
- 避免持续震荡的运动对象，尤其应避免显示频率为 0.2 赫兹左右的振荡
- 尽量避免在用户视场的边缘显示动态效果，用户对于发生在边缘视觉处的动态效果尤其敏感
- 考虑为用户提供静态参考系，或者保留一部分真实场景作为参考
总结
无论是虚拟现实（VR）、混合现实（MR）还是增强现实（AR），完全虚拟、视频透视（VST）还是光学透视（OST），硬件因素还是内容因素，产生眩晕的本质在于信息过载。任何形式的虚拟内容在给用户带来附加信息的同时，都在增加大脑信息加工的负担，尤其是当虚拟信息与人类正常感知方式存在冲突时，眩晕是对这些「不合理」虚拟信息的排异反应。
因此在空间计算硬件与算法性能提供足够流畅体验的基础之上，仍然需要合理的内容和交互设计。设计师 & 开发者需要充分理解虚实结合场景下人类视觉特性的基本原理，从而避免让用户产生对虚拟信息的排异反应。
参考
- Kaufeld, M., Mundt, M., Forst, S., & Hecht, H. (2022). Optical see-through augmented reality can induce severe motion sickness. Displays, 74, 102283.
- Tian, N., Lopes, P., & Boulic, R. (2022). A review of cybersickness in head-mounted displays: raising attention to individual susceptibility. Virtual Reality, 26(4), 1409-1441.
- WWDC2023 - Design considerations for vision and motion
- Meta Quest Design | Locomotion Comfort and Usability
- Meta Quest 3 review | GSMARENA
- 5 Ways to Address AR’s Vergence Accommodation Conflict
- 作者:V2XR
- 链接:https://hackvision.pro/post/cybersickness-in-spatial-computing-xr
- 声明:本文采用 CC BY-NC-SA 4.0 许可协议，转载请注明出处。