4维光场是什么 VR设备真正的杀手锏？
发表于2016-04-16
本文由微信公众号「VR看天下」（VRkantianxia）原创发表
Oculus Rift在视觉体验上已经做得很不错了，Oculus花了很长时间将硬件提高到目前的水准，要知道在视觉上骗过人类的眼睛和大脑是件很困难的事情，我们从出生开始就活在3D世界中，所以很容易辨别出来一个模拟的3D环境有哪里不太对劲。于是就导致了头晕、恶心等等这些症状，甚至于再也不想玩VR了。导致VR之路如此艰难的很大一部分原因，是我们虽然离VR屏幕只有几厘米，却试图说服我们的眼睛，屏中景物在距离我们很远的地方。
当前这一代的VR显示设备，使用了很多不同的方式，在一块扁平的屏幕上人工地生成拥有深度信息的图像。但缺忽略了一个很重要的技术，这项技术可以让VR图像看起来非常自然与舒适---4维光场，它允许类似Lytro的光场相机可以接近真实地还原光场信息，显示拥有深度信息的图像，从而更好地缓解“晕动症”难题。
先看看传统的VR显示设备，比如Rift，利用以下几种因素来创造拥有深度信息的图像：
双目视差
你的左右眼分别看到不一样的景象，当你的大脑处理这两个影像的时候，双目的视差会给你带来景象的深度信息。
动态视差
当你左右摇晃脑袋的时候，离你近的景物比离你远的景物会移动地更迅速一些，因此VR显示器可以利用此特性将深度信息加入进来。
双目遮挡
某个景物在场景的前方，因此会遮挡住后方其他的景物，这就造就了景物根据距离的自然排列。因此，假如一部分遮挡信息同时进入双眼，大脑就会产生相应的深度信息。
视觉辐辏
当你的眼镜注视某个物体时，离你越近的景物，越会被眼睛向内翻转（收敛），以保证其在视域的中心；离你远的景物，会被眼睛向外翻转（发散），直到无限远。翻转量使得大脑可以计算出景物的深度信息。
为了更好地利用以上特性，大多数VR显示器分别对每只眼睛显示单独的图像。假如这些图像与头部的运动同步地调整与显示，则可以创造人眼可以承受的视觉深度信息。
然而，即使像上述那样欺骗大脑创造出了有深度信息的图像，你的大脑依旧会发现一些地方不对劲。视觉辐辏与另一个深度要素息息相关：焦点调节。当你聚焦于近处的景物，晶状体收敛性调节；当你聚焦于远处的景物，晶状体发散性调节。大多数VR头显并没有将焦点调节考虑到其中，导致全部的图像一直处于某一个聚焦的状态，但是你的晶状体却会随着立体影像不断聚散。
你的大脑极其反感这种情况，这种所谓“视觉辐辏调节冲突”便会导致视疲劳、重影、头疼、恶心等一系列症状，最严重的是，这还有可能导致儿童发育中的视觉系统的病变。
那么此时，有个方法可以解决这些问题：4维光场技术。
什么是光场？
简单的说，光场是空间中同时包含「位置」和「方向」的四维光辐射场的参数化表示，是空间中所有光线光辐射函数的总体。其两个主要应用方向是「光场拍摄」和「光场显示」，第一种需要记录下来整个空间的所有信息，第二个则是需要将这些信息完整地复现出来。通俗地说就是在空间内任意的角度、任意的位置都以获得整个空间环境的真实信息，用光场获得的图像信息更全面，品质更好。
什么是4维光场？
空间中一束光的「位置+方向」信息，需要5个维度的坐标来确定---位置需要「X，Y，Z」三个维度（三维坐标系中的点），方向需要「θ，φ」两个维度（三维坐标系中，θ角是某点与原点构成的直线在XY平面的投影与X轴的夹角，φ角是某点与原点构成的直线在XZ平面的投影与Z轴的夹角）。在计算中，每多一个维度，就会将计算量大大提高，因此要尽量降低维度，所以使用了一个简单的模型，即利用某条光线与其穿过的两个平面的交点，来表示这条光线的位置与方向，假设这两个交点在各自的平面的坐标是（u，v）和（x，y），则这条光线的坐标就是（u，v，x，y），巧妙地从5维降为4维。
为了理解什么是4维光场，以及它何如工作，我们可以从它的实际应用聊起，即4维光场相机，简称“光场相机”。Lytro是光场相机品牌中最优秀的之一，对于Lytro相机原理的解释，有个有趣的比喻：它就好像把一大簇迷你相机捆在一起，同时从一个场景的多个视角捕捉光线信息，当捕捉到每束光线的方向信息后，使用一系列数学方法重建一个数字光场，还原出一个趋近于真实世界的光场。
现在你可以使用光场相机从各个角度捕捉图像了，将光场信息从VR头显输出，便可以有效缓解“视觉辐辏调节冲突”和“晕动症”等等这些问题了。不过，仅仅是“缓解”，而不是“解决”。光场技术仍属于起步阶段，从各个方面还不够成熟，从「捕捉」到「显示」，要解决的问题还太多太多，任重而道远。
来源：界面