Metaverse 元宇宙裡面蘊含的科技-我們是如何透過VR看到3D影像的(中) [2]

閱讀時間約 5 分鐘
繼上一篇簡單介紹了實現元宇宙的工具之一VR之後,我們了解了VR為什麼可以將影像放大並投影到我們的眼睛之後,接下來就是為什麼VR能將手機或是顯示器投射出來的平面影像轉換成3D影像?
畢竟我們所處的真實環境都是立體的,而VR最終的目標之一就是讓使用者分不清是在現實還是虛擬場景之中,所以立體的影像必不可少。
目前主流的VR立體顯示技術分為兩大類:立體視覺Stereoscopic光場Light field,但目前光場技術還在開發中,市面上大多數的VR眼睛都是採用立體視覺技術。
其實立體視覺這個詞看起來很高深,但實際上與我們再熟悉不過了,各位也不要把3D想成一個很遙遠的東西,首先怎麼樣讓一個物體產生立體的感覺? 答案早就藏在高中數學課本裡了,(x,y)是平面,那(x,y,z)就是立體,所以3D比2D多了一個z(這個z可以是深度也可以是高度),所以手機裡的阿財之所以看起來是平面的,就是大家沒看到阿財的深度XD
在介紹立體視覺之前,我們先要知道人為什麼會有立體感知,立體這個概念我們可以分成兩個方面討論:
欺騙大腦
大腦計算


欺騙大腦

我們人的大腦很容易被騙,準確來說我們的大腦會腦補一些東西,舉個例子,大家看到下面左邊這個方塊是不是有一種立體的感覺?但這個方塊只是阿財隨便在小畫家上畫的,實際上它與右邊的圖案一樣,沒有任何深度的資訊,這就是人的腦補,我們看一個物體最直覺的想法就是,近的大遠的小,加上我利用大家的知識,把立方體的其他面畫出來,所以才能以假亂真。
左右方塊都沒有深度資訊(都是平面的喔)!
另一種腦補方式也很常見,大家看到下圖兩隻熊大是不是很自然的會覺得刺蝟熊大在海豹熊大前面?因為我們認為刺蝟熊大好像遮擋住海豹熊大了,這也是一種腦補,說不定海豹熊大它就沒有下半身啊(右圖) [1]
遮擋的情況
這種腦補的行為還有透過紋理陰影和幾何透視等等,詳細可以參考影片(趕時間的朋友可以從2分開始到9分鐘結束喔~):

大腦計算

上述講的case我們用不含任何深度資訊的平面圖形欺騙了大腦,但實際上有玩過VR的朋友都知道,輸入的影像會分成左右兩邊如下圖:
VR 輸入左右眼影像by YouTube VR模式
而我們人之所以可以感覺到VR的影像是立體的形式,都要歸功於我們的靈魂之窗-眼睛和超級計算機-大腦,左右眼因為有一個距離(瞳距)所以看到同一個物體實際上有些微的差距,正是因為我們兩個眼睛看到一個物體不同的面,再透過我們的大腦,將這些不同的面融合成立體的影像,這就是立體視覺的基本原理
其實3D電影也是利用同樣的效果喔,不過種類繁多就不在這篇贅述,大家如果有興趣阿財以後再和各位聊聊3D電影的眼睛有哪些~
其實我們的人眼就像是一台超強大的相機,但是我們要看清楚一個物體,勢必也需要對焦,當我們仔細看著一個物體的時候,其他的物體就會變模糊,就像是我們拍照得時候,必須對焦在一個面上,背景就糊化了,我們人眼會根據大家要看的物體,進行高速變焦,這種現象我們叫做視覺調節(visual accommodation) 。
大家有沒有覺得很神奇,我們的大腦就是這麼厲害,但嚴格意義上來說上述的兩種方式都不算真-3D,這種腦補或是大腦計算的機制也衍伸出很多的問題,我相信玩過VR的朋友應該深有體會,如果玩太久可能會頭很暈,VR頭暈成因有很多,詳細可以參考我的影片:
這邊解釋一個最常被提出來的Vergence Accommodation Conflict (VAC)視覺衝突調幅,其實VAC不止會發生在VR上,AR和MR都有可能發生,從文獻中的圖片可以很好的解釋這個VAC的現象:
左圖為真實世界, 右圖為VA/AR [2]
左邊是真實世界的情況,我們聚集在小圓球上,其他地方是模糊的(綠色柵欄)圖C所示,這時候我們的聚散距離(Vergence distance)和焦距(Focal distance)是一樣的,可以想像是物體的光進到我們眼睛聚焦的位置和我們感知到的位置是一樣的。 但是右圖是VR的情形,這時候並沒有一個真實的物體,是顯示器(display screen)的光進到我的眼睛,所以圖D我們可以發現,小球和綠色柵欄都是清楚的(小球和柵欄都是顯示器在同一個位置發射的圖片),而顯示器的圖片聚焦進到我們眼睛之後,大腦經過計算,融合成一個3D的物體,這時候我們感知的物體深度是比實際顯示器的距離還要遠的,這樣大腦就產生了衝突(conflict)這種衝突就叫做VAC,這種衝突大家可以想像是:

眼睛:我現在聚焦在小球上喔!柵欄應該要是模糊的。
大腦:What? 為什麼小球和柵欄都是清楚的,到底眼睛聚焦在哪?我要怎麼調節? 大腦:暈~
所以玩VR久了之後,VAC會造成使用者頭暈或不適,而這個問題目前許多高校和研究機構都在想辦法解決,而最大的希望之一就是光場技術。為何光場技術被視為下一個VR超新星技術呢?有興趣的朋友可以追蹤阿財訂閱阿財YouTube,阿財以後會為大家一一揭秘喔~ 那今天就分享到這邊大家下期再見~
延伸閱讀
參考資料:
[1] 圖片來源 : 自己拍的Linefriends娃娃
[2] Hoffman, David M., et al. "Vergence–accommodation conflicts hinder visual performance and cause visual fatigue."Journal of vision8.3 (2008): 33-33.
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此專輯主要探討元宇宙相關的技術,包含虛擬實境(VR)、擴增實境(AR)、物理引擎和各種生成虛擬影像內容的算法,歡迎大家來坐坐聊聊並留言發表你的看法,如果覺得阿財寫的不錯也不要吝嗇你們的愛心~當然也可以贊助阿財,讓阿財更有寫作的動力唷~
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