白癜风介绍 http://pf.39.net/bdfyy/bjzkbdfyy/141017/4496031.html

前言：本文还是19,0年写的论文啦，文章总计约不到八万字，原计划想发表一个，一来一去因为各种原因没有成行。后来又有我师说这文字量都可以出书了，也没有成行，想来想去，觉得可以放出来做个知识科普和讨论，欢迎交流，转载请联系，拒绝盗版~

分享将以小节形式分批次放出，本期第一次送出摘要及全文目录，部分观点和数据论证还是在19,0年的时间背景下。

摘要：

综合来说，构建VR用户体验的因素大体可归纳为三大类因素，即硬件因素、软件因素和个体因素。同时，构成VR用户体验的各个因素也都会或多或少地影响用户产生VR眩晕的几率和眩晕程度。根据用户的个人体质、心理状况、当前身体状态的不同，再结合用户所使用的VR软件的内容品类、品质、精度、视觉表现、交互设计，还有用户所使用硬件的品牌、类别、参数、使用环境等多重因素，最终影响了用户在使用VR产品时所导致VR眩晕的可能性及眩晕程度。

下面将从这三大因素类别，分别详细介绍、分析及论证在构成VR用户体验的各个要素之中，其基本概念，及对VR用户体验和VR眩晕的具体描述和影响表现。

关键词：

虚拟现实，头戴式显示器，计算机视觉，三维仿真，晕动症，用户体验

目录

一、VR晕动症的定义

1.1关于VR晕动症的相关概念

1.1.1前庭器官系统

1.1.VR视觉

1.1.前庭反应即VR晕动症

二、影响VR眩晕的三大关键因素

.1硬件因素

.1.1屏幕刷新率

.1.显示帧率(FPS)

.1.时延

.1.4视场角

.1.5分辨率

.1.6PPI

.1.7体感反馈

.1.8焦距

.1.9畸变校正

.1.10瞳距

.1.11显示亮度

.1.1头显重量

.1.1佩戴舒适度

.1.14视听触觉协调度

.1.15听觉音量

.1.16环境温度

.1.17环境湿度

.软件因素

..1细节复杂度

..环境逼真度

..视角类别

..4镜头运动

..5场景比例

..6图像色度

..7环境模糊度

..8环境开阔度

..9环境特性

..10静态参照系

..11运动加速度

..1转动加速度

..1视线高度

.个体因素

..1经验与习惯

..心理因素

..性别与年龄

..4疲劳程度

..5VR使用频率

..6主视眼影响

..7平衡能力

..8视觉与前庭感官健康度

..9对新事物接受能力

..10三维使用经验

..11使用时长

..1适应时间

三、关于VR晕动症的测试

四、解决VR眩晕的可行方法

五、未来技术展望

5.1技术挑战

5.发展预期

六、参考文献

晕动症的定义

VR晕动症，特指当用户使用头戴式VR软硬件系统，进行VR内容体验时所导致的眩晕症状。它的诱因及症状表现非常复杂，涉及到生物学、心理学、色彩学、计算机图像图形学、计算机硬件系统、计算机软件系统、多媒体互动技术、传感器技术等多个交叉领域。其中对其影响最重要的两个领域即生物学和计算机图像图形学领域，具体而言则是指前庭器官系统和头戴式VR视觉系统。

前庭器官是指内耳迷路中除耳蜗外，还有三个半规管、椭圆囊和球囊，后三者合称为前庭器官，是人体对自身运动状态和头在空间位置的感受器。当机体进行旋转或直线变速运动时，速度的变化（包括正、负加速度）会刺激三个半规圆或椭圆囊中的感受细胞。

当头的位置和地球引力的作用方向出现相对关系的改变时，就会刺激球囊中的感受细胞。这些刺激引起的神经冲动沿第八脑神经的前庭支传向中枢，引起相应的感受和其他效应。

器官概述

只有脊椎动物才有真正的前庭器官。但特化之平衡器官则始于无脊椎动物的腔肠动物；如水母伞盖边缘上的许多平衡器即具有与前庭器官相似的功能，其构造亦基本上与前庭器官相似：由一些纤毛感觉细胞环抱着一中央耳石。在静息状态中，由于地心吸引力的作用，或当身体运动时，引起耳石与纤毛细胞作相对的运动均能刺激纤毛感受细胞，使体内神经网兴奋，从而引起水母产生调节体位以及维持平衡的运动，直接帮助动物在水中的漂游活动。此类平衡器官在其他较高等的无脊椎动物，如环节动物、节肢动物以及软体动物中以不同的形态出现，尤以十足目乌贼中的感受重力器官比较复杂，与脊椎动物近似。

前庭器官(水螅的机械感受器)

脊椎动物前庭器官结构和功能更为复杂。一般都与听觉器官有关。听觉之发展一般迟于平衡感觉。在较低等脊椎动物中有些平衡器官兼有听觉的功能。较高等的脊椎动物，平衡器官进一步特化，如鱼类的侧线器官及其他动物的听壶等特殊结构。

高等动物的前庭器官包括椭圆囊、球囊及个半规管。半规管能测定旋转加速运动，而椭圆囊及球囊则能感受包括重力（地心吸引力）的直线加速运动。由于精细的结构及其解剖上独特的造型，这些前庭器官能准确地测定头部任何时候的空间位置及运动方向。当头部运动时，因旋转及直线加速的改变使前庭器官直接受到刺激。力与加速度成正比。但在正常地心吸力状况下前庭器官受力固定不变。在静息状态中，重力是以直线加速的形式对头部产生引力作用，而在头部或机体运动时，相伴的直线及旋转加速也可以刺激前庭器官。因中枢神经系统最先接收到的是加速形式的信号，它必须做出数学上相当于积分的运算以求出头部当时的运行速度及位置变化。简言之，继前庭器官将头部加速或重力作用转变为生物信息后，中枢神经系统便能向机体提供有关头部运动和头部与其四周环境、空间相对位置的主观感觉，并引起适当的反射动作。前庭器官因此被认为是测定机体平衡及定向的主要器官。

迷路

前庭器官位于构造复杂的内耳迷路间。迷路分两部分：①与平衡功能有密切关系，包括半规管、椭圆囊及球囊；②与听觉有关，由耳蜗组成。

半规管

半规管每侧前庭器官有个半规管，每个约占一直径为6.5毫米圆周的/，其横切面直径为0.4毫米，半规管均相互连接，它们的位置可以想象为坐落在一矩形立体坐标之上，半规管平面彼此互为直角。个半规管分别叫做前垂直管（上垂直管）、后垂直管（下垂直管）和外侧管（水平管）。

感受器

感受器的纤毛细胞位于半规管末端膨大部分壶腹内一嵴状组织（壶腹嵴）上。半规管及其壶腹部分充满比重比水大的淋巴液。扁平胶质组织──终帽竖立于纤毛细胞（感觉细胞）上。其比重与淋巴液相等。终帽横贯整个壶腹，形成壶腹内壁的活塞状密封垫。

感受装置——感受细胞

前庭器官的感受细胞都称为毛细胞，具有类似的结构和功能。这些毛细胞通常在顶部有60-条纤细的毛，按一定的形式排列；其中有一条最长，位于细胞顶端的一侧边缘处，称为动毛，其余的毛较短，占据了细胞顶端的大部分区域，称静毛。是在一个半规管壶腹中的毛细胞上所做的实验，当动毛和静毛都处于自然状态时，细胞膜内外存在着约-80mV的静息电位，同时在与此毛细胞相接触的神经纤维上有中等频率的持续放电；此时如果用外力使毛细胞顶部的纤毛由静毛所在一侧倒向动毛一侧，可看到细胞的静息电位去极化到约-60mV的水平，同时有神经纤维冲动发放频率的增加；与此相反，当外力使纤毛弯曲的方向由动毛一侧向静毛一侧时，可看到细胞静息电位向超极化的方向转变，而神经纤维上的冲动发放频率也变得比纤毛处自然不受力状态时为小，这是迷路器官中所有毛感受外界刺激时的一般规律，其换能机制与前面讲到的耳蜗毛细胞类似。在正常情况下，由于各前庭器官中毛细胞的所在位置和附属结构的不同，便得不同形式的变速运动都能以特定的方式改变毛细胞纤毛的倒向，使相应的神经纤维的冲动发放频率发生改变，把机体运动状态和头在空间位置的信息传送到中枢，引起特殊的运动觉和位置觉，并出现各种躯体和内脏功能的反射性改变。

感受装置——三个半规管

三个半规管的形状大致相同，但各处于一个平面上，这三个平面又互相垂直。每个半规管约占/个圆周，一端有一个相对膨大的壶腹。两侧的水平半规管同时在一个平面上，如果人在直立时头前倾0℃，则此平面正好与地面平行；当两臂平举而肘关节呈半屈状态时，此时手臂的方位即相当于水平半规管的方位，两个拳头的位置就相当于两侧壶腹的位置。壶腹内有壶嵴，它的位置和半规管的轴垂直；在壶嵴中有一排毛细胞，面对管腔，而毛细胞顶部的纤毛又都埋植在一种胶质性的圆顶形终帽之中。毛细胞上动毛和静毛的相对位置是固定的，例如在水平半规管内，当充满管腔的内淋巴由管腔向壶腹的方向移动时，正好能使壶嵴中毛细胞顶部的静毛向动毛一侧弯曲，于是引起该侧壶腹的传入神经向中枢发放大量的神经冲动。

适宜刺激

水平半规管的结构特点，使它能感受人体以身体长轴为轴所作的旋转变速运动。旋转开始时，由于管腔中内淋巴的惯性作用，它的起动将晚于人体和管本身的运动，因此当人体向左旋转时，左侧水平半规管中的内淋巴将压向壶腹的方向，使该侧毛细胞兴奋而产生较多的神经冲动；与此同时，右侧水平半规管中的内淋巴压力作用方向正好是离开壶腹，于是由该侧壶腹传向中枢的冲动减少。人脑正是根据来自两侧水平半规管传入信号的不同，“判定”人体是否开始旋转和向何方旋转的。当旋转变为匀速旋转时，管腔中内淋巴与整个管同步运动，于是两侧壶腹中的毛细胞都处于不受力状态，中枢获得的信息与不进行旋转时无异。但当人体停止旋转时，内淋巴运动的停止又由于惯性作用晚于管本身，于是两侧壶腹中的毛细胞又有受力情况的改变，其受力方向和冲动发放情况正好与旋转开始时相反。内耳迷路中尚有其他两对半规管，可以接受和它们所处平面方向一致的旋转变速运动的刺激。

球囊囊斑及椭圆囊囊斑所处的位置

在椭圆囊和球囊，毛细胞存在于囊斑结构中，其纤毛则埋植在一种称为耳石膜的结构内。耳石膜是一块胶质板，内含耳石，主要由蛋白质和碳酸钙所组成，比重大于内淋巴，因而也有较大的惯性。椭圆囊和球囊的不同，在于其中囊斑所在的平面和人体的相对关系不一样。人体在直立位时，椭圆囊中囊斑所处平面呈水平，囊斑表面分布的毛细胞顶部朝上，耳石膜在纤毛上方；球囊与此不同，其中囊斑所处平面在人体直立时位置和地面垂直，毛细胞和第十毛由囊斑表面向水平方向伸出，耳石膜悬在纤毛外侧，与囊斑相平行。仔细检查两个囊斑平面上分布着的各毛细胞顶部静毛和动毛的相对位置关系时，发现这在每一个毛细胞几乎都不相同。毛细胞纤毛的这种配置，使得它们有可能分辨人体在囊斑平面所作的各种方向的直线变速运动。例如，当人体在水平方向以任何角度作直线变速运动时，由于耳石膜的惯性，在椭圆囊囊斑上总会有一些毛细胞由于它们的静毛和动毛的独特的方位，正好能发生静毛向动毛侧的最大弯曲，于是由此引起的某些特定的传入神经纤维的冲动发放增加，引起机体产生进行着某种方向的直线变速运动的感觉。球囊囊斑上的毛细胞，则由于类似的机制，可以感受头在空间位置和重力作用方向之间的差异，因而可以“判断”头以重力作用方向为参考点的相对位置变化。

虚拟现实技术（VirtualReality）是三维仿真技术的一个重要核心方向，是由计算机图像图形学、三维仿真、人机接口技术、多媒体互动技术、传感器技术、数据可视化技术、网络应用技术等多种科学技术构成的交叉集合体。虚拟现实是一门极具挑战性的复合交叉技术前沿学科，具备极其广泛的应用与研究领域。虚拟现实技术主要包括三维虚拟环境模拟、用户感觉感知模拟、自然交互模拟和多传感器设备技术等构成。三维虚拟环境模拟是指由计算机计算生成的、实时渲染的动态三维立体逼真影像视觉模拟。用户感觉感知是指理想的虚拟现实应当具备一切人类作为生命体所拥有的感觉感知能力。除去依托计算机图形学技术所提供的视觉感知外，还应拥有听觉、触觉、味觉、嗅觉、力反馈感觉、运动感觉、平衡感觉等感觉感知要素，也可称为生命体自然多维感觉感知。自然交互模拟则是指模拟人的头部转动、眼睛、手势、步伐、体态以及其他自然身体交互行为活动。由人类用户进行交互输入，由计算机来处理与用户交互行为相匹配的数据，并对用户输入作出实时响应与反馈结果数据输出，再分别借助对应设备反馈到人类的五官及其他身体感受。多传感器设备技术是指包括三维交互设备、多种传感器设备，如陀螺仪、速度计、惯性追踪系统，以及通用手柄、鼠标、键盘、手势识别装置等电子交互设备技术。

虚拟现实是融合多种前沿综合科技的集合体，包括实时三维计算机图像图形技术，宽幅视野立体显示技术，用户头、眼、身、手、心等追踪识别技术，以及触觉力觉反馈、立体声效、空间声效、网络传输、数据分析、语音输入输出、空间识别等技术。

通常来说，利用计算机进行三维建模渲染去建立图形图像模拟并不是太难的事情。如果能够拥有足够准确的参照资料，又拥有足够多的工作时间，就可以利用三维建模渲染技术生成在不同光照条件下针对各种物体模拟的精确图形图像。但是由于虚拟现实技术提供的图像图形是基于实时渲染的。对于需要快速变换图像内容、快速变换视角内容的重建来说问题就变得相当困难。例如驾驶和飞行模拟等内容，图像的实时更新就相当重要，同时对图像质量的要求也很高，再加上非常复杂的虚拟环境，问题就变得相当棘手。

基于虚拟现实的头戴式VR视觉

当人类在生活中观察到周围的自然世界时，由于两只眼睛的位置不同，得到的图像略有不同，左右眼看的到图像在人类大脑里进行了自然融合，就形成了一个关于周围世界的整体景象，这个景象中包括了物体的自身信息，以及对应物体距离远近的景深信息。当然，距离信息也可以通过其他方法获得，例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等。

在头戴式VR系统中，这称之为双目立体视觉。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，它是由GPU单元进行图像渲染计算，分别渲染左眼视觉和右眼视觉，然后再显示在不同的显示屏幕上，最后经过人眼的视觉和大脑加工所看到的VR视觉就是最终视觉体验。而有的系统则采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。

在虚拟的主观人造环境中，对于用户的追踪表现为：每个物体相对于三维游戏引擎系统的坐标系都有一个位置与姿态，而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的物理位置以及头（眼）面对的方向来确定的。根据用户的位置变化和头的旋转，用户可以看到与之对应变换的VR视觉。

在传统的计算机三维图像图形学技术中，视角及视场的改变一般是通过鼠标或键盘操作实现。用户的视觉系统与自身运动感知系统是相互分离的。而虚拟现实的头部视觉追踪表现为：当用户能够利用头部追踪来改变图像视角时，视觉系统和运动感知系统就建立了对应的联系和同步，还原了人类在自然世界的真实感受，使得感觉更逼真。这样用户不仅可以通过双目立体视觉去认知虚拟环境，还可以通过自然的头部运动去自主决定虚拟环境的观察。这个体验极大地区别于传统的基于平面显示器的视觉感受。用户不再感觉是隔着一个实体屏幕在观看虚拟世界，而是真真正正让用户进入到虚拟世界中，达成了十分接近人类自然生活中的视觉体验与身体感知体验。

前庭反应

来自前庭器官的传入冲动，除与运动党内和位置觉的引起有关外，还引起各种姿势调节的反射和植物性功能的改变。延髓动物表面的某些状态反射和中礅动物的翻正反射，就与前庭器官的传入冲动有关。人体在前庭器官受到刺激时，也会出现一些躯体调节反应，如人乘车而车突然加速时，会有背肌紧张增强而后仰，车突然减速时又有相反的情况；当电梯突然上升时，肢体伸肌抑制而屈曲，下降时伸肌紧张加强而伸直，等等。

前庭反应是中最特殊的是躯体旋转运动时出现的眼球的特殊运动，称为眼震颤，常被用来判断前庭功能是否正常。眼震颤主要由半规管的刺激引起，而且眼震颤的方向也由于受刺激半规管的不同而不同。当人体头部前倾0℃而围绕人体垂直轴旋转时，主要是两侧的水平半规管壶嵴毛细胞有刺激强度的改变，这时出现的也是水平方向的眼震颤。具体情况是，当旋转开始时，如果是向左侧旋转，则是左侧壶嵴的毛细胞受刺激增强而右侧正好相反，这时出现两侧眼球缓慢向右侧移动，这称为眼震颤的慢动相；当慢动相使眼球移动到两眼裂右侧端而不能再移时，又突然返回到眼裂正中，这称为眼震颤的快动相；此后再出现新的慢动相和快动相，返复不已，这就是眼震颤。当旋转变为匀速运动时，旋转虽在继续，但由于两则壶嵴所受压力一样，于是眼球不再震颤而居于眼裂正中。只有当旋转停止而出现减速时，内淋巴又由于惯性作用而不能立刻停止运动，于是两侧壶嵴又再现所受压力的不同，但情况正好与旋转开始时相反，于是又引起一阵由方向相反的慢动相和快动相组成的眼震颤。临床和特殊从业人员常进行眼震颤试验以判断前庭功能是否正常。在同样条件下震颤时间过长或过短，说明前庭功能有过敏或减弱，前庭器官受到过强或过长刺激，或刺激未过量而前庭功能过敏时，常会引起恶心、呕吐、眩晕、皮肤苍白等现象，称为前庭植物神经性反应，具体表现为晕船、晕车和航空病。

头戴式VR视觉带来的前庭反应，即VR晕动症

当视觉信号与前庭平衡器官所接收的运动信号不匹配时，这种感官失衡会导致晕动症的产生。在常见的晕车和晕船中，由于乘客关于身体的视觉输入让其以为他们似乎没有移动，但前庭系统的感知信号却表示他们正在移动，这时乘客就会产生晕眩和恶心的症状。在这个例子中，用户的视觉系统没有看到运动的发生，但前庭系统却感觉到运动的产生。最常见的理论假设认为，个体感官输入的不平衡会导致大脑错误地相信用户因毒物或毒素而产生幻觉，所以大脑将试图诱导其呕吐，而这就是VR晕动症，其基本表现为头晕、恶心、想吐、冒虚汗、体温上升、耳鸣、打瞌睡等表象。

除了感官和视觉冲突，头戴式VR头显对于头部运动的传输延迟和设备自身刷新率的过低也会导致VR晕动症的产生。如果刷新率可以降低到我们身体运动的5毫秒到10毫秒之内（今天平均是18毫秒到毫秒），因刷新率而导致的晕动症将能大幅减少或消失。因为人类能够察觉到0毫秒以上的运动延迟，因此这个指标格外重要。

以上内容小计字……

下期继续，敬请期待~

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