影像沙龙

宜居虚拟现实:长期沉浸的安全与健康


导语:

近几年,虚拟现实(VR)产业如火如荼地入侵到现代生活中,但目前虚拟现实技术还无法满足“宜居”的需求。真正“宜居”的虚拟现实系统为人们描绘了美好的前景,人们可以在这样的系统里更为舒适和高效的工作,不受地域限制的享受优质的教育,本期沙龙我们请到了北理工光电学院副研究员、博士生导师翁冬冬前来为大家做一个科普。「周末影像沙龙」是由本中心举办的影像领域产学研交流平台,每周选取一个产业热点作为主题,并邀请业界专家和企业代表进行演讲与交流,旨在为该领域的先进技术、产品和人才提供对接产业的舞台。


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北理工光电学院副研究员、博士生导师翁冬冬

 

天我们主要讨论的是虚拟现实中长期沉浸的安全与健康问题,也可以称为宜居的虚拟现实。什么叫宜居?就是说未来人们使用虚拟环境的时间会越来越长,甚至于住进虚拟环境内。目前听起来这个东西好像很不靠谱,但就像我们小时候,在吃饭时看电视是很不靠谱的事情,但是现在基本上大部分人在吃饭时都会看手机,看视频,看微信等等,这种行为已经极为普遍,并且人人都适应了这个变化。对于VR也一样,假设未来人们在虚拟现实系统里面的使用时间越来越长,频率越来越高,那么VR就会变成我们日常生活中一个非常重要的部分。


到底什么才是“宜居”的VR


归纳起来,宜居的VR需要具备三个主要特征:一个就是可以长时间连续使用,即数个小时的连续使用;第二是可以长期、高频率的使用第三个是可以支持基本的生存维持系统比如在VR中解决人需要吃东西的问题。首先,在VR中要想达到长时间的连续使用,我们需要解决显示器佩戴上的舒适感和健康性等问题。目前连续使用一个小时是基本可以达到的,针对教育领域意味着我们基本上可以每天设置一门课,这节课是用VR来完成的,因为通常人们的连续集中注意力时间是45分钟,用来保证信息输入的准确性和有效性。


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我们在做新型显示测试的时候,两个小时的周期是一个很重要的参数。比如说3D显示器,如果它能够舒适的连续使用两个小时,我们就认为它是可用的,一些特定的使用场景,比如说VR电影院,家庭影院等应用都可以被支持,那这就成为娱乐行业应用的一个重要参数。进一步讲,一般人们处理工作事务的极限时间为4个小时。如果能够舒适地使用4个小时的VR,那么我们就是可以在VR里面工作了。而如果能够连续使用8个小时,我们生活中的所有事情都可以搬到VR里面去。当然,这个是比较极限的情况,可能需要5到10年才能够实现。


实际上我们的眼睛有汇聚或调节的作用,它是一直在观看同一个位置的。当看久了之后,睫状肌非常辛苦,那么我们一般需要让眼睛放松一下(向远处看),目的是让睫状肌放松,回到它最初始的状态。也就是说,要让人们连续长时间的使用VR系统,它必须能够支持这种放松的技能,否则连续2个小时甚至4个小时眼睛都处在紧张状态,很有可能给人造成永久性近视。另一个问题就是现实剥离感,我周围认识的人,包括一些研究员,将长时间使用VR作为一个挑战,我们发现除了身体上的不适之外,现实的剥离感是非常严重的。当摘下头盔的一瞬间,我又看到自己房子的时候,忽然有一种莫名的失落感,那种失落感是很强烈的。


第二个就是高频率的使用,即每天使用,或者每两天使用一次。这样就会造成感知觉的错乱,也就是人们对于常识性的认知出现错误,比如现实中的物体距离感知,重量判断等等。另一个问题是必须要支持最基本的生存维持系统,比如在连续2到4个小时的VR活动期间,人是有进食或者排泄需求的,如果我们能够解决这个问题,那么对VR的长期发展会有巨大的推动作用。我们认为典型的应用场景应该有以下几种,首先最重要的VR场景是办公环境,下一个是社交,与传统应用相比其具备更多的感知通道,之后就是教育,但这需要市场的一个适应过程,所以真正开展大规模应用的前提是要先解决VR的健康问题,这不光是技术上的挑战,更多的是需要全社会的宣传与引导。

 

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 VR使用场景的变迁


我们目前所处的阶段叫做专用化虚拟现实阶段,下一个阶段叫做适应性的虚拟现实阶段。5到10年之后,宜居的VR才会出现,下面我们描述一下这几个阶段的不同。在目前的阶段,系统设备比较笨重,专业性强,需要大量的资金支持来达到大规模化应用的要求,能够提供比较清晰的画面。


但其在交互性方面是比较匮乏的,仅以简单的手势互动为主。在应用性方面,主要还是在军事科研工业等这类专业化程度比较高的领域,平均使用时间为20分钟左右。在构建性方面,现在系统中的各个APP(比如绘画、雕塑等)之间是没有打通的。


智能性方面,人工智能的发展目前还没有达到这个要求。比如现在网上比较流行的“虚拟女友”,你绝对不会认为她跟你会有任何社会关系,不管这个女孩多漂亮,她只是一个虚拟的角色。这不是因为她的外形没有到达要求,而是智商,所以你们之间不会有社会关系。目前这个阶段,我们的主要问题还是停留在比较基础的技术层面,比如硬件设备,原理,器件,包括如何提高分辨率,如何提高渲染算法等等。


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沙龙现场


更重要的一点是我们认为三五年之后,虚拟现实会变成学习的必备工具。现在好多学生长时间看书,不可避免地形成了近视眼。而VR可以做一个特别有意思的事情:它可以让你感觉到在眼前看书,但实际上的成像是较远的。也就是说在看书的同时,我们的眼睛放松了,这就意味着在一定程度上可以避免近视眼的形成。学生越爱学习,眼睛视力越好,这个是完全反过来的概念。有了这些以后,才会逐渐向办公场景进行过渡,形成健康、宜居式的VR体验。


另外,还有一个重要的变化,我们叫做个体构建就是说以个人为主,协作性的互动较少。我们认为在3到5年之内,更多的是由用户自己构建体验方式。在智能性上面,我们认为3到5年之后,用户与VR系统能够达到一种“主仆关系”,VR所提供的服务或许会以一种虚拟人的形象出现,用户可以随意定义它的外形,通过语音操作实现与虚拟人的高层次交流。


在5到10年之后,伴随便携设备的重量减轻,分辨率清晰度提升等技术上面的革新,我们可能很难分辨出VR里面物体的真假,达到与真实环境的无缝联结。但这时更重要的是如何进行场景的切换,比如忽然有电话进来,或者现实中有人要与我交流,如何将VR与现实世界进行融合来达到自然的场景切换是一个非常重要的问题。在构建性这一块,我们认为是一种协同构建,就是说在虚拟环境里面虚拟用户和真实用户进行协同合作,共同生产出复杂的数字资产。在智能性这块,我们认为会超越之前定义的“主仆关系”,转变为“伙伴关系”,即虚拟伴侣。我们可以认为它是一个精神代理,甚至精神导师。由于虚拟和真实的界限越来越模糊,人们在虚拟世界中可以轻松拥有多个身份。

 

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宜居VR的“挑战”


除了适人性等相关问题之外,更重要的是VR的自然交互。我们认为在交互过程中,用户的肢体一定要可见,尤其是上肢,否则的话根本谈不上交互。首先是手掌部分,整个手要可见,接下来是手指头要可见,能够像自然的手一样是最理想的情况。有了手之后,上肢基本上是要出现的,我们也可以在脚上安装跟踪器,这样真实感会更强烈。


下一个交互问题是无障碍行走,如何解决现实空间中存在障碍物的情况?那么最好的办法就是让我们在虚拟空间中能够看见它。怎样才能看见它呢?通过三维建模,用户向四周一看,将所有的物体进行三维扫描,输入到系统中。然而仅仅就是这样吗?肯定不是,它还需要适应特定的场景。


设想VR空间中我在草原上狩猎狮子,而现实空间中有一个桌子,这太讨厌了。怎么办?那我们就把这个桌子在VR中做成个石头,或者一个灌木丛。也就是将周围的环境映射成游戏内容的一部分,这只能借助于机器学习和深入学习。因为我们输入的是物体形状,输出的是草原上的某个三维物体。关于自然交互,另一个问题就是一定要有非常真实的感知和触觉,也就是说用户能够实际摸到这些东西。
接下来就是关于和谐的内容的问题。


首先要解决的就是虚拟现实上瘾,如果VR做的好,那么一定会有相当一部分人上瘾,厉害的话可能直接将生活搬进VR中去,这个其实是在技术发展到一定程度就会出现的问题。若VR做得非常真实,那么如果不以法律的方式去限制里面的内容,就会出现非常非常强的刺激感,这种影响比电影多得多,当然其中包含一些非常极端的体验场景。未来的青少年们会接触到越来越多这样的东西,而且这个影响比书,比视频的影响要真实得多,它的影响力是非常强大的。

 

在未来的虚拟世界中,我们可以按照自己的喜好,创建模拟真实世界的体验场景,定制虚拟伴侣,同时这些虚拟伴侣之间也可以进行交互,成为一个完整的系统。我们有处理这些数字资产的能力,也可以与其他的虚拟角色一起分享这些资产,甚至重新创造。这是一个美好的未来,而所有的这一切都需要建立在健康舒适、协调的感知与认知以及正确的伦理道德基础之上。