沉浸式虚拟现实体验指南

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简介

近年来，虚拟现实 (VR) 技术取得显著发展，沉浸式环境成为现实，在该环境中，用户能够感受到更加逼真的真实感，在创造的环境中有一种“真的置身此地”的感觉。CPU 性能、GPU 性能、VR 头盔的视觉保真度和支持 VR 的软件均取得长足发展。

很明显，游戏是 VR 技术的最大受益行业，并且已经开始充分利用该技术。其他软件类别也可以从 VR 的沉浸式功能中受益，包括教育、培训和治疗应用。

然而，与许多新技术一样，外表看起来酷炫十足的 VR 易于实施，但同样存在致命缺陷，会让您脱离沉浸式体验，或者最终，您会感到困惑，好奇为什么有人要如此麻烦地开发该软件。人们最初看到该技术时会由衷地发出赞叹“哇哦！”，但很快就会质疑“有什么意义？”，这正是开发人员面临的风险。

幸运的是，该风险可以规避。我们对 VR 开展了深入研究，并且关于生理机能以及最终用户对多类 VR 软件的反应的一系列研究表明，可遵循一组明确的指南，以成功创建充分利用该技术的 VR 体验。

此外，英特尔完成了扩展 VR 研究的重要工作。在该工作中，研究人员观察了终端用户对多种 VR 活动的最初和后续体验，然后开展详细汇报会议及问卷调查，以了解哪些特定因素能使VR体验令人沉于享受。一个关键的调查结果是，享受和沉浸度之间存在高度统计相关性。研究还表明，游戏和环境的多个方面与沉浸密切相关，因此，它们是加深该感觉的关键。

我们从已有研究与新研究的综合调查结果中总结出了这些指南，以创造沉浸式 VR 体验。这些指南互为基础，只有完成每一级别才能进入下一级别。指南自然地分成三类：

本白皮书描述了所有这三个类别中的指南，以使 VR 软件产品符合现有技术提供的沉浸感潜力。本白皮书还参考了其他可用的详细技术指南。

注意：本白皮书的目标读者是需求各异的广泛 VR 软件开发人员和硬件制造商。您可以跳过与您的生态系统无关的部分。

  带有该符号的元素表示关于可通过提高 CPU 功率改进VR体验的指南。

身体基础

身体基础指南是在 VR 体验中建立任何沉浸感的基本要求。要使玩家足够信任系统以体验沉浸感，玩家必须感到安全、舒适，且不受外界干扰因素的影响。Oculus*、Microsoft* 和 HTC* 等硬件提供商制定的许多技术指南均属于此类别。

安全性

人身安全

确保整个系统可支持用户在体验虚拟世界的时候能够在现实世界中安全移动。负责任的开发人员应该：

• 在开始任何 VR 体验之前，告知用户潜在风险。
• 在用户戴上头盔之前，提供有关系统（支持运动边界）对身体要求的明确指导。
• 在虚拟视角中，在用户快要撞到边界¹之前，提供“边界”反馈。反馈可以是视觉反馈、声音反馈、触觉反馈或任意组合。
• 提供校准步骤，以准确定义可达边界，确保为不同体型的玩家定义合理准确的边界。

社交安全

确保用户了解他们在虚拟世界里的行为所产生的社会影响，并确保用户不会进入有损人格或危险的社交情境。负责任的开发人员应该：

• 在进入在线社会环境之前，征得用户的同意。如果社交环境中既有画面，又有声音，确保用户在进入之前知道两种模式都将激活。
• 让用户控制其在线头像的外观和身份。例如，不要假设用户希望其 Steam 帐户名是其在社会虚拟世界中的网名；在进入社会情境之前，允许他们确认（或更改）自己的网名。
• 切勿纵容在线社会环境下用户之间的有损人格或危险的人际交流。
• 为用户提供方法，以鼓励良好的社交礼仪。例如，有时候，以可见的方式标记表现糟糕的人员足以在开始时避免不良行为。

  舒适性

人体工程学

戴上头盔或握住手柄后，当用户开始感觉不适时，他们不再体验到沉浸感。负责任的开发人员应制造可调节的硬件，以适应不同体型的玩家。例如：

• 合适的头盔表示，头盔不会重重压在鼻梁或颧骨上，否则时间一长，便会引起疼痛。
• 一副好手柄应适合不同手掌大小。例如，手柄应该适合第 5 百分位的女性（宽度 = 7.34 cm 或 2.89 in）的手，这样一来，当第 95 百分位的男性（宽度 = 9.76 cm 或 3.84 in）使用时，便不会意外按错按钮。
• 通过参考军方²发表的人体测量数据表等，针对不同人体尺寸进行设计。

VR 疾病

过去，VR 引起的晕动病（模拟器病、电脑病等）是一大问题。1999 年发表的一项研究发现，在 148 位参与者中，80% 的参与者表示遇到了 VR 引起的症状，5% 的参与者受到严重影响³。现代 VR 系统虽已经过长时间发展，但电脑病的风险仍是主要问题。

当然，有些人更容易患上电脑病。研究表明，女性、儿童以及患有轻微疾病或失眠症状的群体更容易出现电脑病⁴。但如果 VR 系统的目标是让想要使用该系统的任何人都可以享受到 VR 体验，那么对于任何开发工作而言，预防此类症状应该是优先考虑的事项。关于该主题，有许多优秀的资源，包括 Oculus“最佳实践”⁵、Google Cardboard 指南⁶和伊利诺伊大学的 Steven LaValle 编写的名为“虚拟现实”的教材⁷。

这些只是专家为了预防电脑病而提出的一些指南示例。请查阅参考文献，以获取更多详细信息。

• 始终以等于或接近标准人类运动的速度如实回应用户的运动。争取实现零延迟，尤其是在头部跟踪时。
• 以等于或大于硬件刷新速度的帧速率运行代码，以避免颤抖。
• 确保眼睛视点定位准确，考虑到立体偏移。
• 避免出现会占据大部分用户视野的物体，以防止出现自动的感觉。
• 确保加速少且时间短，最好是瞬间完成。
• 在瞬间转移时，提供适当的视觉提示以保持方位感，如果可能，保持原来的方向。

阻挡现实世界

要在虚拟世界里体验到沉浸感，物理系统需充分防止现实世界进入虚拟体验，以免造成干扰。

• 在头盔四周提供足够的衬垫，避免光线泄漏。
• 提供与虚拟世界一致的音频声道，以设定环境，并避免外界环境中的声音干扰因素。

基本真实感

安全和健康得到保证后，营造沉浸式体验的下一步是创造一个令人信服的世界，以供用户探索。在最好的情况下，用户期望和虚拟世界之间的明显不匹配将在潜意识里阻止他们完全沉浸其中。在最坏的情况下，这些不匹配成为明显的干扰因素，破坏沉浸感，就像是电影剪辑师没有将电影场景中的麦克风架或摄像机支架剪掉。

画面完整性

虚拟世界中的画面将是用户体验的主要方式。虽然高度逼真的画面很重要，但是画面的一致性和流畅度比真实感更加重要。沉重像素化、撕裂、不一致的细节层次等缺陷都是会导致用户脱离 VR 世界的人为视觉效果。

• 确保虚拟世界正确呈现，关于是否可能会被用户发现，没有技术欺骗⁵。
• 即使是在大范围行动和移动时，一致的帧速率对于保持玩家在虚拟世界中集中注意力仍至关重要¹。
• 最好的环境是有趣的地平线和精致的天空，以及平静或深色地面⁸。
• 考虑一个因素：代表玩家现实世界环境的虚拟网格将如何并入视觉体验。例如，当地板网格边界下方的图像充满细节时，会使网格看起来与地面悬浮⁸。
• 确保任何背景全景图像无缝拼接，因此在图像左侧和右侧交汇处没有不自然的过渡⁸。
• 由于“恐怖谷理论”，如果增加人物角色或玩家头像的图形清晰度，则收益递减。该理论假设，当机器人接近令人信服的逼真度（但还有一点差别）时，观察者对机器人的厌恶感比卡通人物更大。

  真实的声音

空间声音

将声音与位置相关联的能力是用户导航虚拟世界的重要提示。缺少空间声音或者感知到的声音来源不匹配将转移用户对虚拟世界的注意力。为此，大部分或者所有声音应该进行空间化处理。

• 帮助用户确保其耳机和声音设置均正确配置，以优化声音体验。
• 与环绕声相反，音乐也应该进行空间化处理，尤其是当音乐与菜单或 UI 元素相关联时⁹。
• 最好接受用户对声音的期望，而非颠覆期望。例如，由于现实世界中的经历，当用户听到鸟叫时，他们可能会抬头，即使该声音来自他们下方⁹。
• 当用户逐渐靠近声源时，声音应该越来越大。这包括头部前倾，不只是用户头像的移动⁵。
• 用户的方向也会影响声音的质量和大小（例如，面对声音或者背对声音）。
• 包括多普勒效应，因为这会提供有价值的动作提示⁷。
• 避免不可见或无法识别的声音来源，除非目标是创造错乱感，故意使玩家变得焦躁⁹。

周围环境

声音的另一个重要作用是为场景创造条件，并从感知和情绪上将玩家带入虚拟世界。例如，鬼屋里的咯吱声和咆哮声可以丰富环境，而恐怖音乐可以制造情绪，将氛围传达给用户。

• 低水平的环境噪声也可以用于掩盖来自用户真实环境中的环境噪声，减少干扰因素。
• 然而，环境声音不能盖过空间声音，这一点非常重要。如果环境噪声占据主导地位，用户将难以找到其他角色或活动的声音。

无处不在的音效

用户希望环境中的所有事物可以在视觉上对他们的互动做出响应，同样，他们也希望所有事物做出真实的声音响应。抓住、抛下、扔出或操作某个物体时，用户会希望出现与之匹配的音效。

• 音效的特殊性非常重要。不同物体被抓住或者碰撞时，会产生不同的噪音，用户将适应期望听到的声音与真实听到的声音之间的任何不匹配。
• 真实声音比合成或不自然的声音更好。用户对该声音越熟悉，就会感觉越真实，他们将越容易在环境中辨别该声音并维持真实的幻觉⁹。

  响应式世界

环境中的提示

如果 VR 用户真正沉浸于虚拟世界，他们将希望与环境交互。每个行为应该获得听觉、视觉和触觉上的适当响应。

开始使用 VR 时，用户将希望环境中的几乎所有事物都可以进行交互。如果环境中只有特定事物可以进行交互，请务必向玩家解释清楚，让他们可以准确预测能够与虚拟世界的哪些部分进行交互。这样一来，用户无需猜测，也无需对 VR 世界中看起来真实但却一动不动的物体感到失望，从而避免了令人沮丧的经历。这一沟通和“培训”应尽早开始，因为用户将从体验初期开始形成有关交互性的心理模式。

目前，VR 中的触觉反馈缺乏忠实性和特殊性，但通过使体验变得更加切实明显，仍然增添了沉浸感。每个 VR 世界需要发展其触觉语言，以通过不同模式进行沟通。例如，快速轻微的振动可表示用户捡起物体，而猛烈的脉冲振动可表示游戏玩家受伤。

无明显滞后

要维持用户在虚拟世界里的沉浸感，保持用户头部和手部运动的高度准确性与零延迟跟踪至关重要。时间不匹配或延迟不仅不和谐，而且会产生晕动病，造成用户身体不适。

  直观的控件

“比现实世界更好”的交互

选择、抓取、操作、携带、抛投和放置物体或其他环境特征应该可以轻松完成。交互程度并非总是需要完全真实，因为如果太过真实，可能会导致小任务变得异常沉闷和困难。

事实上，现实世界中要求的精度不是虚拟世界中要求的精度，因为玩家对这些操作的练习和反馈比现实生活中少得多。真实感来自于所有这些物体响应交互的独特方式、它们所产生的独特音效以及可行的物体组合方式。

关于如何操作物体，利用“吸引区域”等特征可为玩家留出更大的回旋余地，这样一来，简单任务屡次失败便不会使他们分心。在这一方面，吸引区域代表将产生预期行为的一组用户输入。例如，如果玩家尝试将瓶子直立放在桌子上，VR 应用程序应该接受更大范围的方向来使瓶子保持直立，而非应用极其真实的物理引擎来查看瓶子是否保持直立⁷。

限制大动作

避免要求用户通过手臂做出许多大动作，否则用户可能会变成“猩猩手臂”。一些 VR 产品中存在这一现象，在这些作品中，玩家在玩游戏时需要一直伸展双臂、做出大动作，这样会使用户迅速感到疲劳。

不只是新鲜

人们很容易就会认为上述良好设备和沉浸式 VR 功能是软件产品成功所需的全部要素。虽然此类产品具备显著优势，但还不够。我们可以用电影院的 3-D 效果进行类比。无论雪花飘落或岩石向观众砸来的效果多么酷炫，如果电影无法提供值得观看的体验（即，好的角色、有趣的故事框架和观众想听的对话），这些新鲜感将很快消失。

在 VR 的世界里，该类比同样适用。要想超越与虚拟世界交互的吸引力，打造用户享受的体验，存在一些特定于 VR 的原则。本节也将描述这些原则。

优质内容

首先是优质内容。如果没有提供有价值的内容，即便是世界上最令人兴奋的交互，也将很快变得索然无味。该原则不是 VR 所特有的，但说明了该原则为何重要：VR 是实现目标的绝佳途径，包括出色的游戏或教育或培训体验，但不是目标本身。

根据类别不同，自然有所差异。对于游戏，优质内容表示趣味十足的游戏玩法、越来越困难的挑战、奖励机制、引人入胜的画面、有趣的故事线以及多年来经过彻底研究的精彩游戏的其他基本方面。对于教育软件，优质内容表示准确的信息、搜索信息的不同方式、评估学习的一些方法等。对于培训和治疗应用，成功因素同样众所周知。

只要 VR 开发人员记住，技术是与优质内容交互的工具，而不是弥补普通内容的支柱，他们便会取得最大的成功。

顺利的培训

虽然虚拟世界与现实世界大不相同，但也足够可信，因此许多最成功的 VR 产品采取措施，向虚拟世界顺利过渡。下面是提供培训的两种方法，无论单独或同时使用，均有效：

综合教程

优秀的教程在虚拟环境中进行，而非在纯粹的 2-D 教学空间中进行，因此在游戏或活动开始后，可迅速为用户提供视觉熟悉感。教程应涵盖手柄硬件（例如，手部的指挥棒）的使用、专业操作（如捡起或抛掷物体）和动作。动作非常重要，因为虽然在先进的 VR 系统中您可以向前和向侧面移动，但这些移动受到房间大小的限制，而 VR 环境可能有数英里宽。因此，大部分游戏将配备一些系统，以实现瞬间转移或者将用户移动到超出其在真实房间内移动范围的地方。在真实 VR 环境中，这些姿势需要教程帮助。在标准游戏中，综合教程已成为最著名的方法，但有了 VR，它们变得更加重要。

温和但快速过渡

为了减少进入新环境的冲击，软件可以帮助用户逐步过渡到虚拟世界。例如，在启动时，通过淡入环境声音和图像，VR 产品可避免突然且令人困惑的晃动。SteamVR 教程使用该方法，让用户在修改环境时观看。经过该简短但有意义的过渡之后，教程才会要求用户开始与虚拟世界交互。

  无处不在的交互性

在 VR 环境中，用户假设所有事物的存在都是有目的的，因此希望与周围的所有事物进行交互。在 2-D PC 视频游戏中，通常可以让一些物体“有生命”并进行交互，而其他物体保持静态，不能触摸或移动。开发人员可能会假设，VR 游戏也是如此，但其实不是。

交互的动作

对最终用户进行的研究表明，加强的 VR 环境真实感让用户想要触摸、捡起或检查周围的环境，原因很简单，只是因为一切看起来如此真实。用户迅速意识到，他们的动作（选择交互对象和交互方式的能力）将被认真对待。当多个物体交互，然后其中一个“死去”且无法操作时，该侵入式提醒表明这是虚拟世界。此缺陷造成的不幸影响是，用户可能会脱离沉浸式体验。相反，在虚拟环境中，物体的交互越多，用户继续参与的机会就越大。

足够的内容来维持兴趣

无处不在的交互性中的一个方面是充足性。内容不仅应该持续交互（即使在某些小方面），而且必须提供足够的内容来保持用户的兴趣。由于 VR 是高度感官体验，因此成功的产品将达到平衡，提供足够的内容来维持该感官体验，但也不会多到让人感觉压抑。

VR 交互的主导性

优秀的 VR 软件旨在充分利用 VR 功能。不难想象，一些活动可能会以比较有趣但还是肤浅的方式使用 VR。例如，VR 阅读应用，用户可以在图书馆里成排的书籍之间走过、聆听脚步声、选书，然后坐下来阅读。在这种情况下，VR 交互可能比较新奇，但随着时间过去，它们开始被视为表面功夫，阻碍主要活动。

相反，在维持用户的兴趣和继续使用方面，强调 VR 的独特功能并在主要交互中开始使用 VR 功能的软件将更加有效。

斯坦福大学虚拟人类交互实验室主任 Jeremy Bailenson 表示，值得在 VR 中开发的体验可用下列一个或多个形容词来描述：罕见、无法实现、危险、昂贵¹⁰。要判断 VR 是否适合，一条经验法则是，确定下列任何问题的答案是否为肯定答案：

• 罕见。活动是否不经常发生（例如，观看超新星或鲜为人知的海洋生物），在现实生活中开展此活动不切实际？
• 无法实现。是虚构的吗（例如，怪物世界），或者是否违反物理定律（例如，人类像蜂鸟一样飞翔），无法做到？
• 危险。如果您开展此活动，是否会受伤或发生更糟糕的结果？例如，新手的外科手术、在雪崩前高速滑雪、或者开车穿过城市街道时扔手榴弹。
• 昂贵。如果大部分人去做，是否要花很多钱（例如，环游世界，或者重建泰姬陵）？

如果至少有一个答案是肯定答案，那么该活动或许适用于创造 VR 体验的软件。要想创造真实感以模拟大部分人无法体验的活动，这种情况十分理想。

结论

虚拟现实的功能经过长时间发展，现在已经可以提供相当令人信服的沉浸感。若要以可持续的方式实现这一目标，VR 开发人员需要特别留意多个潜在干扰类别：安全性和舒适性、基本感官真实感及实施（不只是 VR 的新鲜感）的基本问题，以真正维持用户参与。

遵循上述指南以创建可为用户提供重要沉浸式体验的 VR 软件产品，这样开发人员将能够更好的借助该新技术实现真正的成功，而不只是虚拟成功。

鸣谢

十分感谢 Thug Design 的 Elise Lind 和 Colin Bay 帮助完成本文章。

参考资料

1.HTC Corporation (2016)。开发 Vive 和 SteamVR。HTC Vive 开发人员门户，地址为 https://developer.viveport.com/us/develop_portal/

2.部队人体测量数据表，节选自 Gordon, Claire C. 等人。1988 年美国人体测量调查：概要统计临时报告。1989 年 3 月。地址为 http://www.mcieast.marines.mil/Portals/33/Documents/Safety/OSH/Anthropometry%20Data%20Tables.pdf

3.Sharples, S.、Cobb, S.、Moody, A. 和 Wilson, J.R.(2008)。虚拟现实引起的症状和影响 (VRISE)：对比头戴式显示器 (HMD)、台式机与投影显示系统。Displays 29，第 58-69 页。(Elsevier: 2008) 地址为 https://pdfs.semanticscholar.org/2a88/a274795c76b41583a595a7cc6181aaf064b3.pdf

4.LaViola, J.J.(2000)。探讨虚拟环境里的电脑病。SIGCHI Bulletin 第 32/1 卷，2000 年 1 月，第 47-56 页。地址为 http://graphics.cs.brown.edu/~jjl/pubs/cybersick.pdf

5.Oculus VR，LLC (2016)。Oculus 最佳实践。地址为 https://developer3.oculus.com/documentation/intro-vr/latest/concepts/bp_intro/

6.Google (2016)。设计 Google Cardboard。来自 Google 设计中心，地址为 https://www.google.com/design/spec-vr/designing-for-google-cardboard/a-new-dimension.html

7.LaValle, S. M. (2016)。虚拟现实（教材）。将由剑桥大学出版社出版，下载地址为 http://msl.cs.uiuc.edu/vr/vrbook.pdf。© Steven M. LaValle，2015 年，2016 年。

8.Valve Corporation (2016)。如何制作舒适的 SteamVR 背景（会员贡献指南）。地址为 http://steamcommunity.com/app/250820/guides/

9.Microsoft Corporation (2017)。Windows Holographic 文档。Windows 开发人员中心，地址为 https://developer.microsoft.com/en-us/windows/mixed-reality/design

10.Oremus, Will（2016 年 8 月）。虚拟现实的好处，Slate，2016 年 11 月，访问地址：http://www.slate.com/articles/technology/future_tense/2016/08/the_only_good_reasons_to_use_virtual_reality_and_the_current_vr_renaissance.html