VR沉浸感的奥秘：人眼如何通过双目视差硬解深度信息

VR沉浸感的奥秘：人眼如何通过双目视差硬解深度信息

VR技术如何实现沉浸感？这背后涉及人眼如何通过双目视差来感知深度信息。本文将从人眼立体视觉的产生机制、双目汇聚、单眼聚焦、辐辏调节冲突（VAC）以及双目视差等多个专业角度，深入解析VR沉浸感的奥秘。

人眼立体视觉产生机制

平面屏幕的2D画面带来的立体感主要来自大脑的补充。通过仿射变换，可以改变图像的几何结构，同时保持图像中平行线的平行性。张角是指物体所占人眼视野的视场角大小，同一物体离人眼越近，在人眼视野里的张角越大，这就是"近大远小"的原理。

人脑可以比喻为计算机，心理感知属于软件估算，生理感知属于硬件测量。在立体视觉中，双眼线索的优先级大于单眼线索。焦平面是指光线经过透镜在焦点时，物体所在位置的平面。远离焦平面时，成像会变模糊，蓝色代表短焦，红色代表长焦。

长焦距（光线暗）时，大光圈会导致小景深，虚化范围大。在VR眼镜里看屏幕，类似于放大镜看屏幕。人眼平均瞳距为65mm，因此在VR眼镜里，单眼聚焦只能看到约1.3m的大屏（具体距离与所戴的VR眼镜光学设计有关）。在VR眼镜的2D模式下，左眼或右眼的一半画面会被复制成相同的两份到左右眼屏幕，失去了双眼线索，相当于在VR里看一个距离为1.3m的2D大屏。

深度信息与自由度

深度信息是双目显示器的根本特性。以第一人称游戏为例，6DOF（六自由度）游戏如穿越火线，通过变换视角观察物体时，物体的图像会进行仿射变换。移动视差是指视线在视野中横向移动时，物体的运动方向和速度的差异。例如，坐在奔驰的火车上，近处的树和电线杆看起来移动得快，而远处的景物则看起来移动得慢。

值得注意的是，VR的根本特性是深度信息，而不是6DOF。平面屏幕也能实现6DOF，例如第三人称游戏如原神。

双目汇聚

人的双眼对两幅画面进行直接的硬件解码。视网膜成的像"中间清晰，四周模糊"，视野中心的一小块区域称为"注视点"，在视网膜上对应成像区域称为中央凹。中央凹是视网膜上视锥细胞最密集的区域，此处成的像分辨率最高，感知最清晰。中央凹不完全在中心处，偏向太阳穴侧，盲点在鼻翼侧。

双目汇聚，汇聚的是视轴。汇聚角由两只眼睛转动的角度决定，注视点越近，汇聚角越大；注视点越远，汇聚角越小。当想看到视野中的某处时，眼球会转动把注视点切换到所关注的区域，产生视野里所看到的东西都是清晰的错觉，实际上只有注视点所在的区域是清晰的。这一原理在VR中应用为注视点渲染和注视点投影。双目汇聚感知注视点的深度信息只是相对的，近距离时比较准，远距离时视轴接近平行，双目汇聚失效。

辐辏调节冲突（VAC）

双目汇聚和单眼聚焦需要联动产生立体感。在VR眼镜中，光学透镜的焦距没有随着双目汇聚而同步，即聚焦深度不同步。为了解决这一问题，VR光学透镜需要具有可变的焦距，配合眼球追踪，通过计算人眼双目汇聚角，反推汇聚深度，再改变光学透镜的聚焦深度从而实现同步。

VR内人眼效果模拟

在VR内，双眼远处清晰，近处模糊，而变成单眼近处清晰，再变成双眼又模糊。

双目视差

在正视差空间里，物体在左右眼睛成的像无法融合成单一的图案。当注视点在手指A时，手指B位于正视差空间，双像分散，具有正视差。当注视点在手指B时，手指A位于负视差空间，双像交错，具有负视差。定位点/零差面的绝对深度越近，相对深度/立体视觉阈值越高。超过1350米时，会被认为在同一深度上。在VR中，单眼聚焦感知是失效的。VR眼镜的本质是可以输出深度信息的双目眼镜，将深度信息编码进带有视差的左右图像里。