VR交互设计（三）：沉浸感要素拆解（上）
写完上一篇之后，本想就6DOF手部交互的话题继续聊VR里面的物理系统模拟反馈的内容；后来总结的时候发现，所有的交互、物理系统、视觉、硬件优化都避不开一个VR体验的核心指标——沉浸感！
沉浸感是一个由多维要素共同组合而成的概念，今天我们就先来拆解一下沉浸感的黑箱。
上篇：
- 眼与脑的生物特性；
- VR设备与沉浸感；
- 生物与设备小结；
一、眼与脑的生物特性
要弄清楚什么是沉浸感，就不得不从人类感知世界的方式说起,Long time ago …
人类感知的方式来自于多个维度，而脑科学的研究中表明，视觉感知大约占总体感知的70%左右。
所以大体上来讲，人确实是一种视觉动物。如果按照感知维度来细分；那么当前VR的分支是沿着视觉的方向进行突破和扩展，所有的软硬件设计都围绕着视觉欺骗来展开。
人因范畴浩如烟海，我们只选其中几个比较重要的角度来探讨。
1. 还原真实的挑战性
要想欺骗我们鬼斧神工一般的眼睛并不是一件容易的事。首先这里有一组信息：
- 我们单目的水平视野范围约170°，双眼的水平视野范围约220°，垂直约135°。双眼重合的视场角约为124°，这124°内立体感知最强；
- 在明视距离（约25cm左右）下，人眼每1°视场角大约容纳60个像素（PPD≈60），单眼屏幕所需分辨率为12600×7200，双目所需分辨率为25200×7200；
- 显示器刷新率要达到72Hz以上，人眼才不会察觉到明显的抖动，这一点对于观感和保护眼睛很重要；
- 为避免由于视觉、大脑和前庭器官之间产生信息差异而出现的晕动症，从我们的头部或视角移动到我们观察到屏幕对应的画面之间的时长必须小于20ms；
- 成年人的瞳距大多在60~70mm之间。
那么这个信息代表着什么呢？
这代表着现有的显示屏、算力算法、光学结构等手段，在保证VR设备重量、体积及续航的前提下，很难完全复原真实的人眼视野范围和观察感受；并且双眼在观察不同焦距物体的时候，还存在双眼视差、会聚对焦等一系列问题。
这样一来，如果VR设备为了保证渲染画面连续性和响应速度去缩小视场角，就会产生潜望镜效果，我们视野内会出现明显的黑边，沉浸感瞬间被击垮；如果为了保证大视场角，那么就会对镜片尺寸、画面清晰度、画面渲染及响应速度等方面造成更大的压力。
在当前硬件性能限制下，片面的追求视场角仿真往往会造成掉帧、拖影等结果，从而引入更多使用户眩晕的因素。
2. 视觉认知与大脑参考系
我们视网膜上获取信息的清晰度等级分布并不均匀，其中视杆细胞大概占94%，处于视网膜边缘，对光敏感，但对空间图形色彩不敏感；视锥细胞大概占6%，主要分布在视网膜中央凹处，对色彩空间形状具有高度敏感性。
而中央凹区域换算为视场角来看大概在2-3°，这3°视场角接收有效视觉信息量高达50%，是视网膜上中识别度最高的区域；我们正是通过这3°视场角的不断跳跃，来获取空间内那些更丰富的信息。
老话讲，好钢用在刀刃上~ 我们视网膜上这3°中心视觉区域，就被大脑用在感兴趣的信息上了。
在这里我们要引入一个视觉注意的概念，所谓视觉注意，就是指我们聚焦的事物是经过我们知觉选择的，是一种有倾向性的行为。
而这个聚焦过程，大概分为两种：
- 隐性注意：思维注意转移到视野范围的周边区域，以获取对周边环境的粗略感知，无需转动眼球；
- 显性注意：眼睛注视范围转移，以获取该注意区域内更详细的信息。
当我们刚进入一个新环境的时候，我们的眼睛往往会快速四处打量，把收集到的信息汇集到大脑中；在这个打量的过程中，我们会根据大脑中已有的认知快速扫过数百度的视场角。
那些大面积不重要的墙面，地面，栏杆，玻璃会被快速略过，这些部分就是隐性注意；然后把注意力快速集中到绿色的出口、红色的雕塑、黑色的沙发等等我们意识中认为这是有趣的或者是有价值的物体上，这些部分就是显性注意。
当我们在快速打量一片区域时，中央窝视野会停留在显性注意的区域一段时间，用来获取详细的视觉信息，这一部分就是我们的注视点；我们在感知一个环境的时候，视野会快速的对区域内多个注视点或者多个区域进行浏览，同时注视点也随之快速移动，这个移动的过程，就被称之为眼跳。
我们就是用眼跳和注视不断切换的方式，来处理我们身处的环境的。
眼跳的平均时间为20-40ms，速度可达到600°/s。
虽然这个参数看起来很牛，但这里有个前提！那就是这个行为必须是我们人体主动发起的运动，必须是大脑、视觉、前庭系统的认知互相匹配的情况下，才可以实现对场景的快速合理认知；否则，就会产生视觉与前庭认知不匹配，我们就会眩晕。
这种视觉-前庭-大脑互相匹配的认知现象，最常见的一个假说认为这是一种人类对于神经毒性物质的心理防御机制（一个很有趣的小故事，感兴趣的可以百科晕动症）。
总体来讲当我们接收到的图像经过视神经传输到大脑后，大脑会已就有的认知参照系去解析匹配这些信息；一旦这些图像信息无法被解释，我们的体感认知就会产生障碍。
以上是我们眼脑认知的一些基础规则，基于人的生理特性我们再来了解下现有VR的设备基础。
二、VR设备现状与沉浸感
若要想向用户提供以假乱真的沉浸感，那么首先就要过视觉这一关。
人的视觉系统非常复杂，以现在的技术水平要想还原完全真实观感是不太现实的；所以，为了能够瞒天过海实现沉浸感，各家头盔厂商就推出了一系列的错视。
我们先来看一下与沉浸感关联度最密切的视场角，在静止状态下，头盔的视场角直接决定了沉浸程度！看图↓
这是目前几款最常见的VR头盔的主要参数，从数字中我们可以看到，现有的头盔在视场角上还不能满足完全模拟人眼生物特性。
那么为什么这几款头盔依然可以被用户接受呢？
前文中我们有聊到“双眼视觉区”和“视觉注意”的概念，这两个概念结合起来之后，我们会发现，人眼的巨大视场角和信息处理能力并不是一个无差别覆盖的区域。
因此各家厂商在实际设计过程中，也抓住了这些关键点，让VR沉浸感成为可能：
- 双目立体感知最强的视场角约120°，其中无需头部转动的视觉敏感区域大概只有55°左右，一旦超过55°的范围，用户更多的通过转动头部来代替转动眼球，以降低眼睛疲劳度；
- 人眼从中央凹区域到四周边缘区域，可感知的分辨率是逐渐降低的。
而目前的VR屏幕，大多都是从手机屏幕过渡而来，通过分屏的方式来实现双目画面渲染（如下图）。
这种渲染方式，勉强可以把视场角尽量的推到接近120°，从而确保用户可以感知大部分的场景。
并且近几年各家厂商力推的注视点渲染技术也是从生物特性上着手，释放算力，为进一步提升分辨率、刷新率、视场角等元素做准备。
在基本满足了人眼静态沉浸的生理需要之后，还需要在镜片定制、算法、渲染等技术领域的实力，来降低动态视觉的延迟、抖动等问题带来的眩晕感。
三、小结
经过上面的阐述，基本上我们可以大致了解“人”和“机”的背景，以及硬件产品是如何努力为大家提供更好的沉浸感的。
下面我们就用一张表格来总结前文中的人机关键数据：
硬件设备作为VR体验的基础，搭建起一个高沉浸VR世界的舞台，尽管当前这个舞台只是勉强触摸到虚拟世界的门槛；而现阶段的内容设计在这个单薄的舞台上，又运用很多人的认知特点，展示了一场令人激动的虚拟现实舞台剧。
原本想简单聊聊VR沉浸感的元素，后来发现是给自己挖了个大坑！本着尽量知其然也要知其所以然的态度，又去翻阅了很多学术理论性的文章，最后结合自己的理解进行思考和阐述。
这就导致了篇幅急剧扩张并且前半段有点无聊，下篇会结合大家喜闻乐见的游戏图来聊聊认知沉浸…
下篇预告：
- 四、认知沉浸
- 五、泛谈五感沉浸
- 六、沉浸感要素总结
作者：Ferryman，公众号：XRUX
本文作者 @Ferryman_X
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