AR/VR 顯示技術原理 (上)

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@Kore

隨(sui)著 Google Glass 和 HTC Vive 頭戴(dai)設備正成(cheng)為增強現(xian)(xian)實(shi)(shi)和虛擬現(xian)(xian)實(shi)(shi)的新(xin)趨勢。 戴(dai)設備屏幕 (head-mounted displays，HMDs)，它包(bao)含兩(liang)個基本元素： 光學元件和 圖形顯示。

光學

在了(le)(le)解光(guang)學基(ji)(ji)礎之前，我們需要了(le)(le)解人眼的(de)基(ji)(ji)本(ben)屬性。

視場 FOV (Field of View)

它(ta)主要表(biao)示人(ren)眼能(neng)看到的(de)圖像的(de)最(zui)大角度范圍。對于普(pu)通人(ren)來(lai)說(shuo)，我(wo)們(men)的(de)眼睛(jing)水(shui)平方向是(shi) 200 度，會(hui)有 120 重疊(die)度。雙(shuang)眼重疊(die)部分(fen)對人(ren)眼構建立體感和(he)景(jing)深非常重要，我(wo)們(men)稍(shao)后會(hui)討論，垂直視(shi)角約為 130 度。

瞳間距 IPD (Inter-pupillary distance)

這更(geng)容易理解，是人(ren)(ren)眼(yan)瞳孔(kong)的距(ju)(ju)離(li)(li)，它對雙(shuang)眼(yan)視覺系統有(you)重要的影(ying)響。瞳孔(kong)距(ju)(ju)離(li)(li)在不同的人(ren)(ren)、性別和(he)種族之間是不同的。錯誤的瞳孔(kong)距(ju)(ju)離(li)(li)計算會影(ying)響眼(yan)鏡的對齊、圖形扭曲、視覺疲勞和(he)頭暈。一般來說(shuo)，成(cheng)年人(ren)(ren)的瞳孔(kong)距(ju)(ju)離(li)(li)是63mm，浮動范圍是 50–75mm。孩子最小瞳距(ju)(ju)約為 40 mm。

出瞳距離 (Eye relief)

這(zhe)意味著人眼角膜與第一個(ge)光學元(yuan)素(su)表面之間的(de)(de)距(ju)離(li)。這(zhe)意味著你可(ke)以看到整個(ge)視(shi)野。這(zhe)也是(shi)一個(ge)重要(yao)的(de)(de)考慮(lv)因素(su)，尤其是(shi)那些視(shi)力矯正的(de)(de)學生。眼鏡的(de)(de)瞳孔(kong)距(ju)離(li)約為(wei) 12 mm。 對于頭戴設(she)備，讓用戶(hu)適應當前 瞳距(ju)離(li)很(hen)重要(yao)。

出射光瞳 (exit pupil)

光(guang)學系(xi)統中出射(she)光(guang)瞳(tong)是光(guang)圈的真(zhen)實直徑(jing)，只有通過(guo)這種真(zhen)實直徑(jing)的光(guang)才能離開系(xi)統。

視窗

它是指用戶體驗虛擬現實空間中瞳孔(kong)存儲的體積。

用眼數量 (Ocularity)

它用于測量人類看東(dong)西所(suo)(suo)需的眼(yan)睛(jing)數(shu)量。我們都用兩只眼(yan)睛(jing)來感知，所(suo)(suo)以我們不必考慮眼(yan)睛(jing)的數(shu)量。

單眼成像 (Monocular display)

顯示(shi)設備允(yun)許(xu)用戶通(tong)過一(yi)(yi)個(ge)顯示(shi)元素或鏡(jing)頭在一(yi)(yi)個(ge)單獨的(de)視覺通(tong)道中觀看。這(zhe)個(ge)鏡(jing)頭出現在用戶的(de)一(yi)(yi)只眼睛(jing)前面，另一(yi)(yi)只眼睛(jing)可以查(cha)看外面的(de)其他內容。單眼成像(xiang)在生活(huo)中得(de)到(dao)了(le)廣泛的(de)應(ying)用，不(bu)容易(yi)受到(dao)外部因素的(de)影響，但(dan)它不(bu)能為(wei)用戶提供三(san)維的(de)景深(shen)，不(bu)能產(chan)生較(jiao)低(di)的(de)對比度(du)。Google Glass 基(ji)于這(zhe)種模式。

雙眼單通道 (Biocular)

它將提供(gong)一個單(dan)獨的(de)視覺(jue)檢查通道(dao)，但(dan)您可以根(gen)據設備中的(de)折射(she)進行眼睛觀(guan)察(cha)。它也會缺乏三(san)維感(gan)，但(dan)適合更高(gao)精度的(de)觀(guan)察(cha)工(gong)作。

雙眼雙通道 （Binocular)

每只(zhi)眼(yan)睛都能(neng)得到一(yi)(yi)個獨立(li)的視(shi)野，從而形成一(yi)(yi)個三維的視(shi)角。它將(jiang)為用戶(hu)提(ti)供景深和沉浸式的感(gan)覺。但你也是最復雜的計算系統。

光學架構

眼部光學設備(bei)主(zhu)要解決三個問題：

瞄準視野內容，使其呈現更大的距離來放大視野內容，方便用戶觀看光的折射傳遞到用戶視野中的失真 (Distortion)

一般有兩(liang)種(zhong)光學設計系(xi)統(tong)，或(huo)增強現實(shi)或(huo)虛擬現實(shi)的基本(ben)結構，pupil forming 以及 non-pupil forming。

Non-pupil forming 非直視結構

它由一些單獨的鏡頭(tou)組成(cheng)，如常見鏡頭(tou) HTC Vive, Oculus Rift 和 Sony PSVR都是基于這種(zhong)設(she)計(ji)的。這種(zhong)設(she)計(ji)通過放(fang)大鏡直接投(tou)射到太(tai)顯示屏上。

pupil forming 直視型結構

這種(zhong)(zhong)設(she)計(ji)需要(yao)在(zai)視(shi)窗中進(jin)行更復雜、更輕的設(she)計(ji)，在(zai)渲染光線(xian)時會造成明顯的效果 枕(zhen)形失(shi)真的設(she)計(ji)，鏡頭會產生 桶形失(shi)真 從(cong)而抵消這種(zhong)(zhong)效果。這種(zhong)(zhong)設(she)計(ji)通常用于不(bu)需要(yao)沉浸式設(she)備，如(ru) Microsoft’s Hololens 和 Google glass。

波導

顧名思義，它(ta)是(shi)一種(zhong)物理(li)光學結構設計(ji)，可以使光曲折進(jin)入人們(men)的(de)眼(yan)睛。這(zhe)是(shi)用(yong)來控制內部反射(she)和光進(jin)出(chu)的(de)。工業上(shang)有四(si)種(zhong)波導結構設計(ji)。

全息波導 (Holographic waveguide)

這是一種相(xiang)當簡單的光學元件波導類型，如耦(ou)合（進入(ru)）和(he)外部耦(ou)合（退出）。 這種類型用于Sony 的 S ** rt Eyeglass。

衍射波導 (Diffractive waveguide)

通過顯(xian)示器實現(xian)無縫3D覆蓋(gai)圖形。 許多波導都被使用Vuzix 顯(xian)示設備和(he)Microsoft的Hololens中(zhong)。

偏振波導 (Polarized waveguide)

光進(jin)(jin)入(ru)波導，并通過(guo)部分偏振表面進(jin)(jin)行一系列內部反射。 選(xuan)定的(de)光波會抵消(xiao)(偏振)并進(jin)(jin)入(ru)觀眾(zhong)的(de)眼(yan)睛。 該方法由Lumus DK-50 AR眼(yan)鏡(jing)使用。

反射波導 (Reflective waveguide)

這類似于全息波(bo)導，其中單個平面光導與一個或多個半反射鏡一起使用。 在愛普生(sheng)的Moverio和Google Glass這種波(bo)導可(ke)以在中間(jian)看到。

全沉浸式顯示技術顯示類型

這(zhe)些都是(shi)標準(zhun)的完全沉浸式虛(xu)擬現實顯(xian)示(shi)器。 這(zhe)些立體顯(xian)示(shi)器與(yu)傳感器結合起來跟蹤位置和方向。 它(ta)們像《 Ready Player One》一本(ben)書(shu)完全阻(zu)擋了用戶對外(wai)界的視野。

光學透視型

在“光(guang)學(xue) ** 用戶可(ke)以通過光(guang)學(xue)元件(如(ru)全息波導(dao)等可(ke)以在現(xian)實(shi)世(shi)界中疊加圖形(xing)的系統)直接查看現(xian)實(shi)。 微軟的Hololens，Magic Leap One和Google Glass是最近通過智能(neng)眼鏡進行(xing)光(guang)學(xue)透視的例子(zi)。

視頻透視型

借助這(zhe)些(xie)(xie)智能(neng)眼鏡，用戶可以(yi)觀看安裝在顯(xian)示器上(shang)的(de)一兩個攝像頭首先(xian)捕獲的(de)真(zhen)實圖像。 然后(hou)將這(zhe)些(xie)(xie)相機視圖與計算機生成的(de)圖像結合起來供(gong)用戶查看。 HTC Vive VR 頭顯(xian)有內置攝像頭，通(tong)常用于在設備上(shang)創建 AR 體驗(yan)。

蒲小花：AR/VR 展示技術原理 (下)擴展閱讀瞳孔距離出射光瞳Eye-relief-and-eye-box枕形失真波導Augmented Hu ** n — Helen PapagiannisPractical Augmented Reality — Steve Aukstakalnis

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