圖、文 ◎ 石耘碩同學、陳湘鳳教授
近來虛擬實境(virtual reality, VR)技術隨著硬體設備的發展而進步。VR輸出設備從最早的電腦螢幕，進步到現在的3D頭戴式顯示器(head-mounted display, HMD)，或稱VR「頭盔」。輸入設備則進步到目前廣泛應用的手持控制器(handheld device)，或手部追蹤(hand tracking)。VR可提供使用者身歷其境的立體視覺感受。並且在硬體規格提升、控制平台成熟、價格逐漸合理化、應用內容增加之加持下，加速普及VR技術在各領域之應用，例如教育訓練、產品設計、工程、醫學、娛樂等。
隨著VR逐漸走進人類的日常生活，VR相關市場也逐漸蓬勃。2017年，VR市場即達31.3億美元，預計2023年VR將達到497億美元的商機[1]。日前臉書將其公司改名為Meta，可看出它在VR市場的企圖心。VR市場正昇華到下一個階段 - 「元宇宙」。大企業想創造一個宏大的「元宇宙」。當帶上VR眼鏡或頭盔，使用者可立刻進入一個VR空間，或稱元宇宙。在元宇宙中，人類可扮演在現實中無法扮演的角色，並在其中進行社交、娛樂，甚至工作。
產生立體視覺，是VR提供沉浸感與擬真感的主要因素。為了讓使用者能沉浸在虛擬的立體世界中，目前最廣泛的作法，就是使用雙目VR頭盔。使用者的兩眼前，分別有獨立的螢幕。VR頭盔分別向左右眼的螢幕顯示帶有雙眼視差 （binocular disparity）的畫面，當大腦融合左右眼視差的影像後，就產生了立體感。因此使用者就能感受到藍天在遠處，綠地則從腳底下延伸，甚至能感受小溪從遠方流來，再流向遠方的環境深度與立體感。
雖然VR有許多優點，然而，許多的人在使用VR頭盔一段時間後，會感到暈眩或不適。不適的成因繁多且複雜，其中一項就是視覺輻輳調節衝突 (vergence-accommodation conflict , VAC）。要說明這個現象，我們可以用一個小實驗來體驗。請嘗試用鬥雞眼盯著圖一看一段時間，你會發現，圖一上反覆排列的圖案會向內移動，結合在一起。你的視線會找著一個新的落點，此時彷彿會有個虛擬的平面，從原本的圖片浮現出來。你看到了什麼嗎?
█ 圖一、立體視圖
沒錯，你會看到一個凹陷的NTU三個英文字母。在看到NTU後，你的視線會如圖二所示，交叉在某個不存在的P點上，你的右眼會捕捉到圖片左半邊，而左眼則捕捉到右半邊。圖片經過設計，在這種情況下會呈現帶有視差的視覺效果，因此你才會看到立體凹陷的NTU。然而相較於視線的交會點P點，你的眼球卻依然聚焦在螢幕上的P1跟P2。此時你的視線交會點與眼球的聚焦點不一致，這就是VAC。
█ 圖二、以鬥雞眼盯著圖片看時，視線交會點與聚焦點不同
█ 圖三、眼球調整水晶體屈光度來對焦
什麼是眼球的聚焦點？當我們用眼去看物體時，隨著物體離我們距離遠近，我們的眼球會收縮或放鬆內部的睫狀肌，來讓光線收束在視網膜上。如圖三所示，當我們盯著近處時，睫狀肌需要收縮才能看到清晰的成像，遠處則相反。因為睫狀肌的緊張程度會隨物體的遠近變化，因此它的狀態會被我們的大腦用來判斷物體的遠近。正常狀況下，視線交會點與眼球的聚焦點會一致。
事實上，我們的立體視覺並非僅依賴視差，還包括眼球的聚焦、景物的明暗變化、景深產生的模糊感等，他們皆或多或少影響到我們對環境深度的感知。當我們在真實的世界，這些深度「線索」彼此一致，互相協調，使我們能分辨物體遠近，產生立體感，也不會感到不適、混亂。
然而，當這些線索彼此衝突，也就是當VAC發生時，視覺不協調就產生了。當視差主導我們的深度感受時，我們下意識會忽略像是景深，眼球聚焦等附加的線索，並將視差作為唯一的依據。用這種方式感受深度，雖短時間內可能不會出問題，但已有研究顯示，長時間下處於VAC，會對人產生不適跟視覺疲勞。
VAC是VR技術一道困難的障礙，因為硬體的限制，雖然商業化的VR頭盔可讓視線的交會處P落在虛擬物體上，呈現帶有視差的立體畫面，但會強迫使用者眼球聚焦在一個固定距離的虛擬影像平面上，如圖四之P1跟P2所示。因此，雖然因視差緣故，確實可以感受到明顯的立體感，卻也容易產生不適[2]。
█ 圖四、使用者VR頭盔時，視線的交會處會落在虛擬物體上，然而眼球的聚焦處卻會落在一個固定距離的虛擬影像平面上
假設使用VR是為了娛樂或社交，那麼不適感就會大幅降低使用者使用VR的意願，畢竟身體都不舒服了，哪裡還有使用VR的慾望？為了解決這個問題，許多的研究提出不同的解決方案。舉例而言，其中一個藉由追蹤人眼的注視點，來估計焦距，並在影像中產生景深模糊[3]。還有一項方法藉由採用可動態調整焦距的液體透鏡，來調整如圖四裡的聚焦距離，使其能與渲染的虛擬物件一致[4]。雖然有很多不同的方案被提出來解決VAC問題，但都還未成熟成商業化的產品[2]。VR確實充滿前景，但在觸及使用上的舒適度，確實還有一段路途需要完成。 
參考文獻
[1] H. Costello. "Global Virtual Reality Market Size 2018: Growth Analysis, Technology Trends, Key Features, Statistics, Types, Applications and Outlook 2023." https://marketersmedia.com/global-virtual-reality-market-size-2018-growth-analysis-technology-trends-key-features-statistics-types-applications-and-outlook-2023/370141 (accessed 2022).
[2] Facebook. "Vergence-Accommodation Conflict: Facebook Research Explains Why Varifocal Matters For Future VR." https://youtu.be/YWA4gVibKJE (accessed 2022).
[3] S. Hillaire, A. Lecuyer, R. Cozot, and G. Casiez, "Using an Eye-Tracking System to Improve Camera Motions and Depth-of-Field Blur Effects in Virtual Environments," presented at the 2008 IEEE Virtual Reality Conference, Reno, NV, USA, 8-12 March, 2008.
[4] S. Liu, D. Cheng, and H. Hua, "An Optical See-Through Head Mounted Display with Addressable Focal Planes," presented at the The 7th IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality 2008, Cambridge, 2008.
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