AR/VR 显示技术原理 (上)

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@Kore

随着 Google Glass 和 HTC Vive 给大家带来了对于增强现实和虚拟现实的体验,头戴设备正在成为新型趋势。核心的是对于 头戴设备屏幕 (head-mounted displays,HMDs),它包含两个基本的元素: 光学元件图形显示

光学

在了解光学基础之前,我们需要先弄懂人眼的基本属性。

视场 FOV (Field of View)

它主要表示人眼所能看到的图像最大角度范围。一般人的话,我们水平方向双眼是 200 度,会有 120 度的重叠。双眼重叠部分对于人眼构建立体和景深非常重要,这个我们会在后面讲到,而垂直视角大约为 130 度。

瞳间距 IPD (Inter-pupillary distance)

这个比较好懂,就是人眼瞳孔的距离,它在双目视觉系统有着重要的影响。瞳距在不同的人之间,性别之间以及人种之间都不一样。错误的瞳距计算会影响眼镜的对齐,图形失真,视觉疲劳以及头晕。一般成年人的凭据瞳距是63mm,浮动范围是 50–75mm。孩子的最小瞳距约是 40 mm。

出瞳距离 (Eye relief)

这表示人眼角膜到第一个光学元素表面的距离。它表示可以看清整个视场。这也是一个重要的考虑因素,尤其低于那些视力矫正的同学。眼镜的出瞳距离大约是 12 mm。 对于头戴设备而言让用户适应当前的 出瞳距离非常重要。

出射光瞳 (exit pupil)

出射光瞳在光学系统上是光圈的真正直径,只有穿过这个真正口径的光线可以离开系统。

视窗

它是指用户体验虚拟现实空间中瞳孔存放的体积大小。

用眼数量 (Ocularity)

它用于测量人类看东西的所需的眼睛数量。我们大家都是用两个眼睛来感知,因此我们不用太多考虑用眼数量。

单眼成像 (Monocular display)

显示设备通过一只的显示元素或者镜片让用户在单独的视觉通道里观看。这只镜片呈现在用户的一只眼睛前面,而另外一只眼睛可以查看外面其他内容。单眼成像被广泛的应用在生活中,其不容易受到外界因素影响较少,然而它并不能够为用户提供立体景深,以及会造成较低的对比度。Google Glass 就是基于这种模式。

双眼单通道 (Biocular)

它会提供单独的视觉查看通道,但是你可以通过双眼进行观察,基于设备内折射。同样它会缺少立体感,但是适合精度更高的观察工作。

双眼双通道 (Binocular)

每只眼睛都能够获得单独的视野,从而形成立体视角。它会为用户提供景深以及浸入式的感觉。但是你也是最为复杂计算密集的系统。

光学架构

眼睛中的光学设备主要解决三个问题:

  • 对视野的内容进行瞄准,使它呈现出更大的距离
  • 对视野的内容进行放大,方便用户观看
  • 光的折射传递到用户视野中

失真 (Distortion)

一般有两种光学设计系统,或者说是增强现实或者虚拟现实的基本架构,pupil forming 以及 non-pupil forming。

Non-pupil forming 非直视型结构

它由一些列单独的镜片组成,比如常见的 HTC Vive, Oculus Rift 和 Sony PSVR都是基于这种设计。这种设计通过放大镜直接投射太显示屏上。

pupil forming 直视型结构

这种设计需要在视窗里面进行更加复杂和轻便的设计,在进行光的渲染时候,它们会造成明显的 枕形失真
这种设计,而镜片会产生 桶形失真 从而抵消这种效果。而这种设计经常用于那些并不需要沉浸式的设备中比如 Microsoft’s Hololens 和 Google glass。

波导

顾名思义,它是一种物理光学结构设计,可以使光线曲折进入人的眼睛。这被用于内部的反射以及光线进出的控制,工业上有四种波导结构设计。

全息波导 (Holographic waveguide)

这是光学元件中的一种相当简单的波导类型,例如用于通过一系列内部反射进行耦合(进入)和外耦合(退出)。 这种类型用于Sony 的 Smart Eyeglass。

衍射波导 (Diffractive waveguide)

精准的起伏表面起伏光栅用于实现内部反射,从而通过显示器实现无缝3D图形的覆盖。 这些波导用于许多Vuzix 显示设备和Microsoft的Hololens中。

偏振波导 (Polarized waveguide)

光进入波导并通过部分偏振表面上的进行一系列内部反射。 选定的光波会抵消(偏振)并进入观看者的眼睛。 该方法由Lumus DK-50 AR眼镜使用。

反射波导 (Reflective waveguide)

这类似于全息波导,其中单个平面光导与一个或多个半反射镜一起使用。 在爱普生的Moverio和Google Glass中都可以看到这种波导。

显示屏技术

显示类型

全沉浸式

这些是标准的完全沉浸式虚拟现实显示器。 这些立体显示器与传感器结合在一起以跟踪位置和方向。 它们像《 Ready Player One》一书中一样完全挡住了用户对外界的视野。

光学透视型

在“光学透视眼镜”中,用户可以直接通过光学元件(例如全息波导和其他可在现实世界中进行图形叠加的系统)查看现实。 微软的Hololens,Magic Leap One和Google Glass是最近通过智能眼镜进行光学透视的例子。

视频透视型

借助这些智能眼镜,用户可以观看由显示器上安装的一两个摄像头首先捕获的现实图像。 然后将这些相机视图与计算机生成的图像结合起来,以供用户查看。 HTC Vive VR 头显具有内置摄像头,通常用于在设备上创建 AR 体验。

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编辑于 03-31

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