CREAL CEO:AR/VR动态变焦有哪几种解决方案?

2022-10-15 18:10:32来源:青亭网


如果你曾细心观察人眼视觉变化,可能会有这样的体验:当你看向远方,并将手指放到眼前附近时,手指看起来并没有变清晰,反而模糊了。而在你有意识的去调整自己的注视点后,手指又重新变得清晰。

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这种视觉特性就像是相机的变焦原理,由于物理空间是三维的,不同的物体和人眼/摄像头之间的距离不同,因此所在的聚焦平面也不同。打个比方,当人眼对焦在近处的物体时,那么远处的背景便看起来没那么清楚,反之亦然。

实际上,如果你只用一只眼去进行这个测试,效果会更加明显。这种简单的测试,很好的解释了3D单目感知的原理。

AR/VR的变焦难题

也就是说,动态变焦是人眼感知真实环境的关键,那么在AR/VR中,如何模拟这样的视觉体验也很重要。动态变焦可以让视觉观感更加自然,从而降低视觉疲劳、避免眩晕,这样人们才能长时间使用AR/VR而不会感觉不适。

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然而,目前C端AR/VR显示系统大多采用2D显示屏来渲染虚拟空间,只有一个焦点平面(显示屏位置),不支持动态变焦。尽管索尼、Meta等品牌则各自在探索基于眼球追踪+软件变焦,或是液晶变焦透镜+物理调节方案,但还未商业化。

CREALCEO兼联合创始人TomasSluka指出,如今大多数AR设备的固定焦距范围在1.4米到2米,当你注视AR时,无法同时对焦近处的手(手臂达不到2米长)。这种特性,也被成为焦点竞争。

为了在2D屏幕上模拟视觉深度,AR/VR头显会为左右眼显示不同的图像,从而形成双目视差,营造立体的观感。缺点是,人眼自然聚焦的位置可能与屏幕渲染的聚焦位置不匹配,从而产生视觉辐辏调节冲突(VAC)。换句话说,就是Vergence(会聚)和Accommodation(调节)不同步,尽管人眼可以会聚在3D图像上,但调节的位置总是在显示器所在的平面。而当大脑接收到矛盾的会聚和调节信息时,便会造成VAC问题。

VAC问题可能会为AR/VR使用者带来头晕、头疼、恶心、视觉疲劳等症状,即使是短时间使用的体验感也不理想。

Sluka认为,2D屏幕是困扰AR/VR技术的根本问题,不管是从物理学、光学还是人类生物学角度来看,2D屏幕都存在局限。理想的解决办法,并不是改善分辨率,配备更智能的软件或营销资源,而是从根本上改变AR/VR生成图像的方式,比如以下几个潜在方案:

1,视网膜激光束扫描

该方案的另一个优势是,可以做到体积小、亮度高,非常适合户外场景。缺点是眼动范围(eyebox)小,也就是使用者看到的图像区域大小,这会大大降低沉浸感。改善方法是,让眼动范围跟随眼球运动,不过目前还没有商业上可行的方案。

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激光的特性将允许渲染始终聚焦的图像,不管使用者的眼球聚焦在哪里,都能看到清晰的虚拟图像。原理是通过将激光直接照射到视网膜上来生成图像,过程类似于以前的CRT电视,通过光束扫描来逐行渲染单个像素。如果同时为左右眼配备视网膜扫描系统,则可以显示双目视差,形成3D图像。

另外,视网膜投影的图像可能会被障碍物遮挡,比如光学元件的灰尘、睫毛、眼球上的漂浮物等等。这时候可以扩大眼动范围,或是采用自清洁机制。不过,眼动范围变大后,眼球运动幅度也会变大,依然可能产生VAC等聚焦问题。

现有方案:QDLaser

2,可变焦VR

这种方式可应用于2D显示屏,通过光学的方式将图像聚焦在人眼会聚的位置,使会聚和调节信息保持一致。具体的变焦方式目前有两种,一种是用机械来物理移动显示模组,或是采用变焦透镜。Meta早期的HalfDome原型就采用机械系统,后来升级为动态变焦液晶透镜方案,据传这样的技术可能会用于Cambria头显。

可变焦VR需要搭配良好的眼球追踪技术,并通过数字算法来模糊图像中未聚焦的部分。

该方案的优势是,容易与现有的VR产品集成,但缺点是现有的技术延迟高,难以快速运行,而且需要针对每个用户校准。

现有方案:MetaHalfDome原型

3,多焦点平面堆叠

堆叠多个焦点平面不需要眼球追踪,通过将图像在不同的平面上进行显示,也能实现自然的对焦和模糊过程。然而,该方案的工程设计复杂,甚至影响图像质量。比如,MagicLeap1就采用这样的设计,将多层光波导叠加在一起,尽管可以让AR在两个焦点平面之间切换,但光学模组更厚了,透光性也更差。而且焦点平面叠加的越少,变焦效果越不流畅。此外,由于叠加的焦点平面无法覆盖所有焦距,因此VAC问题依然可能存在。

 

现有方案:Avegant、LightspaceLabs(4个焦点平面)、MagicLeap1

4,光场

CREAL就是一家研发光场显示技术的公司,这种技术的特点是利用数字来重现真实光线传播的方式。接着,通过调整光线射入人眼的角度,来模拟3D视觉,效果就像是人眼观看真实世界那样,不需要眼球追踪。

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Sluka表示:我们开发了高分辨率的光场头显方案,目前的目标是努力缩小硬件尺寸。值得注意的是,尽管光场技术对计算的要求不低,但是CREAL方案的计算过程并不会比现有VR头显更复杂,因此实际应用没有想象中困难。

光场显示的缺点是,分辨率受到“衍射极限”的限制,不过其分辨率依然可以超越现有的AR眼镜。

现有方案:CREAL、PetaRay

5,全息显示

全息显示技术也注重于重现现实世界光线传播方式,通过将光线自然摄入人眼,来实现AR/VR显示,类似于光场方案。全息的另一个优势是,硬件体积可做到足够小,亮度足够高,并且理论上没有与光场相同的分辨率限制。目前的主要缺点是计算要求非常高,图像有散斑或颗粒感,分辨率较低,而且关键组件的帧率低、敏感度高。

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目前,还没有一款真正的全息技术被商业化。一些相关的厂商,如VividQ正在尝试降低全息计算的工作量,三星、斯坦福大学研究、MetaRealityLabs和Nvidia等也展示了有关该技术的实验室研究。

这五项技术旨在解决或减轻焦点竞争和VAC问题,不过目前还没有一个最佳的方案。硬件厂商可能会针对不同的用例或在不同的时间采用不同的方法。总之,不管哪种方案在未来成为主流,我们都将看到一种全新的显示技术的出现,一种前所未有的创新技术。参考:ARInsider

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