来源：公众号（脑与心智毕生发展研究中心CLIMB）

编辑：Yezi

审阅：mingzlee7

虚拟现实(Virtual reality, VR)就像被神奇地传送到另一个世界。这是一项令人兴奋的技术，但当我们戴上耳机后，我们很少停下来问：为什么它看起来如此真实？在这篇文章中，我们将探索使VR如此令人信服的一些概念和技术。我们会发现VR有效模拟了我们的体验和周围真实世界的特征。无论是在现实世界还是虚拟世界中，我们的眼睛和耳朵的工作原理都是一样的。当我们模拟体验真实世界的方式时，如通过使用立体视觉来模拟三维场景，VR可以让我们感觉身处一个完全不同的世界，有着非常真实的感觉。阅读这篇文章之后，你将对VR中发生的事情有一个基本的了解。简而言之，你将会了解VR技术是如何设计的。你将看到VR是如何欺骗我们的大脑，让我们完全相信自己正在以一种有趣的、意想不到的方式体验另一个地方。

VR环境可以小到飞机的驾驶舱，也可以大到整个虚拟世界。沉浸感指的是科技能够在多大程度上模拟我们在日常生活中感知世界的方式。当我们在虚拟世界中的体验与现实世界中的体验相似时，就会出现沉浸感。例如，在现实世界中，你可以用不同的速度行走或奔跑；如果在虚拟世界中，你只能用一种速度移动，那么就不会有沉浸的感觉——因为你在VR中的体验与你在现实世界中的体验并不相同。VR在让我们感觉仿佛离开了自己所站的地方，被带到一个完全不同的地方。虚拟世界越令人信服(或沉浸)，我们就越容易相信(或至少感觉)自己在虚拟环境中。

这是怎么发生的呢？让我们想象一下要为一个朋友搭建一个可供体验的另一个世界——要想成功，需要非常有说服力。如果我们做对了，那么我们朋友的大脑就会被“欺骗”。尽管他当然知道这是一个幻觉，但他会感觉到我们设计的这个世界是真实的；如果我们做错了，他在另一个世界的体验将无法让他的大脑感知(或解释)现实世界中的事物，他可能认为这是一次愉快的经历，但他的大脑不会被有效地“欺骗”；第三种可能性是我们做得非常差，这可能意味着我们的朋友经历了晕屏，这是虚拟现实欺骗你的大脑产生晕动的感觉(有些人坐汽车、飞机或船会有得恶心的感觉)。换句话说，当虚拟世界的“行为”与真实世界不同时，VR是无效的。

VR如何“欺骗”我们的大脑

为了理解VR是如何有效工作的，我们首先需要了解大脑是如何理解我们周围的世界的。想一想那些让我们体验世界的感觉：视觉、听觉和触觉。要理解这个世界，大脑首先需要从感觉器官(如眼睛、耳朵和皮肤)获取信息。但是获取的信息只描述感觉——从感觉器官向大脑传递信息的行为；接下来是大脑解释这些信息，让我们了解环境中发生了什么，这个过程叫做知觉。例如，我们看到一只狗跑过房间，听到它的叫声，感觉到它的毛蹭在我们的皮肤上——这些都是我们不断理解和感知经验的感觉。所有的感觉都通过知觉汇集在一起，给我们带来了狗的体验。正是这种感觉(使用视觉、听觉等)和知觉(我们大脑对信息的解释)的相互作用，创造了我们对现实世界的体验。

VR中的元素如何创造出现实

如果我们要建造出一个世界，还有很多事情要做！来看一个简单的例子——建造一个可以仅仅通过视觉来体验的另一个世界，但我们仍然可以让这个地方令人信服，因为大脑倾向于更多地依赖视觉而不是其他感觉。让我们想象一个类似火星沙丘的东西(图1)，如何让我们的朋友把这个简单的图像当作一个沉浸式的环境？他需要能够体验火星沙丘的二维图像，就像你现在所处的三维空间一样真实。为了实现这一目标，我们要在环境中构建一种叫做立体视觉的东西。

图1. 火星沙丘

我们如何利用虚拟现实技术让自己感觉到正站在火星上的沙丘呢？答案很复杂，包括在VR头盔中创建立体视觉以及跟踪VR佩戴者头部的运动。

典型的照片呈现的是从单一视角看到的静止，然而在现实世界中，当我们看一个场景时，我们可以四处走动，从不同的角度看事物。在图2中狗狗莱卡坐在椅子旁边，我们看莱卡的视线在多大程度上被椅子挡住取决于我们站在哪里。同样重要的是我们在这些图片中有一种深度的感觉。在照片中，椅子(通常)比莱卡离我们更近，因为它在一定程度上挡住了我们对莱卡的视线。知道事物有多近或多远，部分取决于我们的双眼视觉(是指左眼和右眼从略微不同的角度看事物，因为它们位于脸的不同侧面)。这意味着我们的大脑必须从这两个角度来合并信息，这个过程叫做立体视觉。立体视觉让大脑知道一个物体的远近，会让我们产生置身于画面中而不仅仅是看着画面的幻觉。

图2

根据观看者的视角，五张显示了狗的不同位置的图片。我们需要多张照片来显示一个场景的不同角度。虚拟现实将这些单一的环境融合在一起，允许我们四处移动，欣赏画面的不同角度，并像在现实生活中一样感知三维深度。

如何创建一个虚拟世界

那么，我们如何创造出立体视觉的虚拟体验呢？首先，我们需要一个VR头盔，通过向每只眼睛呈现略微不同的图像来模拟双眼视觉，给人一种二维图像是三维环境的错觉。先进的VR头盔可能很贵，但你可以在家里用硬纸板做一个便宜的头盔，然后用手机作为展示屏幕(用一些应用程序将图像分割成每只眼睛的不同视图)。

立体视觉并不是唯一需要的东西，因为我们的朋友会想要像在探索一个新地方时那样观察周围的环境。所以，我们需要引入头部追踪的概念。想象一下走进一座美丽的大教堂，很有可能你会向上看、向下看、向左看、向右看，甚至向后看。在现实世界中，这是很自然的事情，我们甚至没有注意到；然而，在探索如何创建虚拟现实环境时，我们往往需要停下来，对我们通常认为理所当然的事情提出质疑。

如果无论看多远，VR头盔总是显示相同的图片，会发生什么？这并不十分令人信服！如果不使用VR的头部跟踪组件，我们就会得到一个令人难以相信的虚拟环境。当我们的朋友向上或向下看时，火星沙丘的角度应该与头部的角度相匹配；当他转身时，沉浸式的环境需要向他展示之前“身后”的视觉信息。头部追踪仅仅是通过使用一种叫做加速计的东西来监测你的头部所指的方向，它可以感知物体是否(以及朝哪个方向)移动。智能手机内置了加速计，你可以通过它享受某些涉及到倾斜手机的游戏——手机中的加速计会检测手机的倾斜，然后相应地调整你在游戏中的运动视野。

当虚拟现实出了问题

VR中的加速计模拟了我们头脑中随身携带的“加速计”：每当我们移动头部时，内耳的感觉器官——前庭系统——就会向大脑提供头部在空间中的定位信息。前庭系统对于我们保持平衡至关重要，确保我们不会跌倒，让我们知道自己是躺着还是站着。如果我们做对了，虚拟现实头盔中构建的头部跟踪将使虚拟环境令人信服；但如果出了问题，我们的朋友可能会晕屏。在虚拟现实中，当一个人感到晕眩和恶心时，就会出现晕屏现象，就像你坐在汽车后座看书时可能会晕车一样。然而有趣的是，晕车和晕屏并不是一回事。仔细观察两者之间的差异，将有助于我们理解VR为何能如此成功地“欺骗”大脑。

当我们晕车时会发生什么？这是大脑接收到两个相互矛盾的信号的结果。一个信号来自眼睛，另一个来自内耳(具体来说，是感知头部在空间中如何倾斜的部位，而不是探测声音的部位！)。如果你想在行驶的汽车上看书，你的眼睛会告诉大脑你没有在移动，但是你的前庭系统会记录下汽车在转弯、刹车和加速时的运动。前庭系统会向大脑发送你正在移动的信息，但大脑不能总是很好地协调这两个相反的信息，有时就会导致晕车。因此凝视窗外会有助于缓解晕车：通过眼睛向大脑发送“我们在移动”的信号，眼睛和耳朵之间的信息相匹配，你会感觉好一些。

那么在VR中，当你完全不动的时候，你为什么会感觉晕车呢？在VR中，前庭系统通常不是很活跃，因为你要么是站着不动，要么坐着。但是立体视觉和头部跟踪会给你一种移动的错觉。晕屏被认为是这种错觉的结果，也被称为相对运动错觉。如果你曾经在火车或公共汽车上，以为自己在向前或向后移动，而实际上你旁边的那辆车正在移动，你可能会经历一种相对运动错觉。这种错觉在虚拟现实中也会出现，因为当你在虚拟空间中移动时(比如使用游戏控制器)，你的眼睛会说“我在动”，而你的前庭系统会说“我没有动”。晕屏还可能在你的头部运动和屏幕调整环境视角之间的时间延迟时发生。有些人特别容易晕屏，但这种个体差异的确切原因还不清楚[1]。

VR到底有多真实？

假设虚拟现实头盔的组件是正确的，我们的朋友不容易晕屏；我们已经实现了一个成功的虚拟环境，但是如何知道它有多真实呢？存在感是虚拟现实中的一个重要概念。存在感是用来衡量一个人在多大程度上感觉自己在虚拟环境而非现实环境中。测量存在感的一种方法是记录一个人的心率和其他压力信号。如果你在现实生活中离悬崖太近，你很可能会有某些感觉：心跳加速、手心出汗、呼吸加快。在虚拟环境中，在虚拟悬崖边上的人也可以测量这些相同的压力症状。VR在游戏之外的许多应用方式之一，实际上是用于治疗特定的恐惧症，比如恐高症。通过心理健康专家对VR的谨慎使用，对高度有强烈恐惧感(或其他类型的恐惧症)的人可以通过一个称为系统脱敏的过程来治疗，在这个过程中，他们能够在一个安全的环境中慢慢地控制自己的恐惧[2]。

虚拟现实有机会让我们体验在现实生活中可能永远不会遇到的事情。先进的VR技术融合了视觉和其他感觉，感觉越正确地融入到VR环境中，就越具有身临其境的感觉。虚拟现实世界的沉浸感越强，我们的感觉就会越真实，也就越容易忘记我们真正在的地方。

通过阅读或观看纪录片来学习和亲身体验是有很大区别的。通常我们通过教科书和视频学习一些科目，比如天文学。然而在未来，科学课可能包括VR环境的实地考察，在那里我们可以探索和感受在火星沙丘上漫步的感觉。最终这项技术“欺骗”了我们的大脑，通过模仿我们在现实世界中的感知体验，让我们感觉在其他地方，并让我们相信自己在游戏中，或在一个不同星球的表面。你将如何使用这项令人兴奋的技术呢？

术语表

术语表

晕屏（Cybersickness）：由于在虚拟环境中移动而产生的一种迷失方向和/或恶心的感觉。这些不愉快的感觉也可能是由于视觉预期和虚拟世界呈现之间的滞后(或延迟)造成的。

感觉（Sensation）：身体带给我们关于周围世界的信息的不同方式(例如，视觉、听觉、触觉和味觉)，以及将信息发送到大脑进行感知的行为。

知觉（Perception）：我们的大脑将感觉转换成经验的过程。

双眼视觉（Binocular Vision）：我们的左眼和右眼在头部的位置略有不同，大脑能够将这两个视角融合在一起，就像通过双筒望远镜观察一样。

立体视觉（Stereopsis）：大脑如何将左眼和右眼的视觉信息组合成一个单一的图像。

加速计（Accelerometer）：一个可以判断物体是否在移动(以及朝哪个方向移动)的装置。

参考文献

[1] LaViola Jr., J. J. 2000. A discussion of cybersickness in virtual environments. ACM SIGCHI Bull. 32:47–56.

[2] Botella, C., Fernández-Álvarez, J., Guillén, V., García-Palacios, A., and Baños, R. 2017. Recent progress in virtual reality exposure therapy for phobias: a systematic review. Curr. Psychiatry Rep. 19:42.

原文

Penn R and Hout M (2018) Making Reality Virtual: How VR “Tricks” Your Brain. Front. Young Minds. 6:62.

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