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增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器是如何工作的?

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關(guān)鍵詞: 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器

      由于科幻電影的影響(《鋼鐵俠》和《星際迷航》等等),人們一直在憧憬著全息光學(xué)透鏡的出現(xiàn)。那么增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器的工作原理是什么呢?游戲開發(fā)者Aaron Yip在Quora(國外著名問答網(wǎng)站)進(jìn)行了解答,下面是整理的文字。

      先讓我們從基礎(chǔ)開始。我們有這些部分透明的顯示器,可把數(shù)字影像與真實(shí)世界相混合。光線需要在一定東西上反彈以重定向到你的眼睛。在現(xiàn)實(shí)世界,我們已經(jīng)得到重定向的光線。對于數(shù)字世界,我們需要?jiǎng)?chuàng)建人工光線(例如通過LED,OLED),然后重定向它們。將生成的計(jì)算機(jī)圖像與真實(shí)世界結(jié)合的光學(xué)裝置稱為“組合器 ”(Combiner)。 基本上,組合器的工作原理類似于部分反射鏡,即重定向顯示光,并選擇性地讓光從真實(shí)世界通過。這很簡單。

      光學(xué)硬件解決方案可以分為兩類:常規(guī)HMD光學(xué)組合器和新興波導(dǎo)組合器。這兩者都非常不同,有著非常不同的權(quán)衡。

      自上世紀(jì)60年代以后便出現(xiàn)了透視顯示器。因此,這產(chǎn)生了許多不同的光學(xué)技術(shù),但基本上都是分辨率、視場、眼盒、圖像質(zhì)量、硬件重量/適配、形狀參數(shù)和其他特征之間的權(quán)衡。在理想情況下,每個(gè)人都希望時(shí)尚輕便的眼鏡,有著200×100度的視場(匹配人眼),以及由《鋼鐵俠》主角托尼·史塔克發(fā)明的完美圖像質(zhì)量。但由于頭顯/近眼顯示器等等存在物理和光學(xué)的限制,使得這在可預(yù)見的未來中成為不切實(shí)際的幻想。所以我們需要思量上述提到的權(quán)衡。

      光學(xué)硬件完全在于權(quán)衡

      傳統(tǒng)的組合器可產(chǎn)生合理的透視和成像質(zhì)量,具有一致的性能和得益于幾十年供應(yīng)鏈發(fā)展而帶來的所能負(fù)擔(dān)得起的材料。下圖是兩個(gè)常見的實(shí)現(xiàn)方式:作為平面組合器示例的偏振光束組合器(左上);作為彎曲組合器示例的離軸組合器(右上)。

      偏振光束組合器的實(shí)例包括谷歌眼鏡,以及愛普生、瑞芯微(Rockchip)和臺灣工業(yè)技術(shù)研究院的智能眼鏡。分束器可以使用LCOS(硅基液晶)微型顯示器進(jìn)行偏振,例如谷歌眼鏡;或者僅使用簡單的半色調(diào)反射鏡。可惜的是,由于組合器的重量和尺寸限制,基于偏振光束組合器的顯示器的視場通常較小,并且可能存在光束分離導(dǎo)致的附加模糊,造成分辨率較低。谷歌眼鏡的視場為13度FOV,而愛普生BT-300為23度,分辨率是1280×720。兩者都處于消費(fèi)者顯示器可接受范圍的低端。然而,更大的FOV和/或分辨率將需要更大和更重的硬件。

      優(yōu)點(diǎn):輕、小、相對實(shí)惠(500美元-700美元左右)

      缺點(diǎn):有限的視場和分辨率,難以改進(jìn)。

      離軸、半球形組合器的最佳現(xiàn)代示例是Meta 2。與其他品種的小型和輕型組合器不同,Meta傾向于更大的FOV和顯示分辨率。他們推出單個(gè)OLED平板以支持“幾乎90度FOV”和2560×1440像素。然而,他們的硬件體積巨大,跟VR頭顯(如Oculus和HTC Vive)相似。另外的問題包括較低的角分辨率(較少細(xì)節(jié)/圖像不夠清晰),以及組合器的塑料材料如何維持其質(zhì)量(例如,隨著時(shí)間的推移輕微的抖動(dòng)會(huì)得到強(qiáng)化,可能導(dǎo)致最終的視覺假象)。但這是他們?yōu)榻档统杀径龀龅倪x擇。彎曲組合器另一個(gè)更早的實(shí)例是Link的Advanced Helmet Mounted Display。

      優(yōu)點(diǎn):寬視場和高分辨率,相對實(shí)惠(900美元左右)

      缺點(diǎn):大而笨重,較低的角分辨率,材料質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

      正如你所看到的,試圖在FOV和分辨率上改進(jìn)傳統(tǒng)組合器意味著更小的眼盒,更厚的組合器光學(xué)組件,更大的組合器,和/或更差的成像質(zhì)量。它跟計(jì)算性能限制無關(guān),而是跟光在硬件上的表現(xiàn)特性有關(guān)。

      為了解決這一硬性權(quán)衡問題,新技術(shù)正在采用非常規(guī)技術(shù),如全息和衍射光學(xué)。這些技術(shù)使用所謂的波導(dǎo)光柵或波導(dǎo)全息圖逐漸提取由波導(dǎo)管中全內(nèi)反射(TIR)引導(dǎo)的準(zhǔn)直圖像。波導(dǎo)管是用玻璃或塑料制作而成的薄片,光被會(huì)在其中反射通過。實(shí)際上,你可以把波導(dǎo)想象成一個(gè)在你眼睛前面?zhèn)鬏攬D像的路由器。

      波導(dǎo)是技術(shù)上最復(fù)雜的透視光學(xué)元件,它們同樣難以設(shè)計(jì)。然而這些并非是全新的概念。自80年代初以來,人們一直在探索光學(xué)波導(dǎo)。從那時(shí)起,像索尼(圖二)、柯尼卡美能達(dá)(上圖),諾基亞/微軟(下圖),Magic Leap等公司都在研究各種波導(dǎo)組合器。

      例如,表面傾斜的亞波長光柵通常是用于Microsoft Hololens的假定實(shí)現(xiàn)形式。在這里,波導(dǎo)具有一系列呈線性陣列的非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)(跟光波長接近)。該衍射光柵會(huì)像透鏡一樣彎曲光線,直到其射向眼睛。這個(gè)過程的愉快結(jié)果是“瞳孔擴(kuò)張”,出射光可以輕微擴(kuò)散以增加其FOV。

      總而言之,最先進(jìn)的波導(dǎo)技術(shù)可能會(huì)在1920×1080分辨率下接近32Hx18V度的FOV,可能沒有傳統(tǒng)組合器解決方案那樣的體積和重量。Magic Leap的專利表明其技術(shù)渴望接近120Hx80V度的水平FOV,但或許最終是接近于50-55度的FOV。與傳統(tǒng)的方法相比,Magic Leap的技術(shù)可能更具前景,或者說至少可以有更多的炒作。但他們到目前為止并未給出太多的演示證明。另外,波導(dǎo)組合器也存在挑戰(zhàn)。

      首先,波導(dǎo)需要非常高的精度,而諸如光聚合物、重鉻酸鹽明膠、鹵化銀等精細(xì)體積的全息介質(zhì)會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度、濕度和/或壓力而改變。第二,角分辨率隨著更多的擴(kuò)散而衰減(即,F(xiàn)OV與成像細(xì)節(jié)的權(quán)衡)。最后,相關(guān)技術(shù)的供應(yīng)鏈尚未建立,因此大規(guī)模生產(chǎn)存在困難,而且成本高昂。更不用說兩家公司高達(dá)10億美元+持續(xù)的研發(fā)成本。

      優(yōu)點(diǎn):有可能在中型尺寸的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)更高的視場和分辨率。

      缺點(diǎn):昂貴(預(yù)計(jì)在3000美元或以上),技術(shù)仍需積極地改進(jìn)。

      總括而言,本文討論的主要是已經(jīng)被證明和已經(jīng)經(jīng)過相對大量探索的傳統(tǒng)技術(shù),以及存在大量炒作的實(shí)驗(yàn)性技術(shù)。個(gè)人而言,我認(rèn)為存在對波導(dǎo)技術(shù)的不信任很合理,畢竟目前仍然沒有任何公開的demo演示證明其效果更優(yōu)于傳統(tǒng)的組合器。另一方面,我同樣也認(rèn)為這些巨額投資很合理。

      受到科幻作品影響的消費(fèi)者對大部分/所有的傳統(tǒng)組合器硬件無動(dòng)于衷。在過去五十年的光學(xué)發(fā)展中,AR只是作為利基產(chǎn)品。傳統(tǒng)的組合器(例ODG眼鏡)中可能還有一些有趣的改進(jìn),但對微軟和Magic Leap而言,波導(dǎo)技術(shù)是AR光學(xué)的登月項(xiàng)目,有希望被大眾市場接受。

    (審核編輯: 林靜)

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