新型三维显示设备:改善VR/AR产品视觉舒适度!

作者:小编

新型三维显示设备:改善VR/AR产品视觉舒适度!

导读

时下,VR和AR技术已成为非常热门的前沿科技。然而用户使用这些设备时,眼睛往往会产生疲劳和不适。最近,美国伊利诺伊大学香槟分校科研人员提出了一种创新方法,可以大幅改善使用VR/AR设备时的视觉舒适度。

关键字

VR、AR、显示设备

背景

VR 和 AR,都是当下非常热门的前沿科技,广受业界关注与追捧。但是,也许很多朋友还是不太熟悉这两个概念,有必要先为大家科普一下,以便大家后续更好地了解今天所要介绍的创新科技。

VR(Virtual Reality)即虚拟现实,就是用计算机模拟创建出一种三维虚拟世界,让用户沉浸于其中,产生视觉、听觉、触觉等感官模拟,并与虚拟环境进行实时交互。

AR(Augmented Reality)即增强现实,就是用计算机技术,将虚拟世界的信息与真实世界相结合,让虚拟环境和真实环境同时叠加到一个画面中,并进行实时互动。

一般来说,VR,是让用户沉浸在完全虚拟的世界中(通常会采用封闭式的头戴设备);AR,则会让用户看到真实世界的画面,并在此基础上叠加虚拟环境(通常会采用具有一定透明度的眼镜)。

如今,许多科技巨头和创业公司都纷纷推出自己的VR/AR产品。例如,微软推出的头戴设备HoloLens,之前笔者在《“瞬间转移”?微软新的AR技术holoportation给你一种全新体验》一文中,也介绍过利用这款设备与微软新开发的技术,用户可以和远方朋友的全息影像进行互动,体验一种远在千里,却近在咫尺的实时互动效果。

(图片来源:微软研究院)

另外,谷歌推出了廉价的VR设备 Cardboard,三星推出了Gear VR,索尼推出了PlayStation VR,Oculus 公司推出了Rift,HTC 推出了Vive。还有消息称,苹果也在研发自己的AR眼镜。除了以上这些,笔者也曾在多篇文章中介绍过VR/AR相关的技术和产品,有兴趣的朋友可以参考一下历史文章。

虽然目前市场上充斥着各式各样的VR/AR产品,但是很长时间以来,用户使用VR/AR产品时,都存在着一个明显的痛点:眼睛的疲劳和不适,甚至会有眩晕感。这个问题非常影响用户的佩戴体验,同时也妨碍了VR/AR产品进一步走向成熟。如果能解决好此问题,对于VR/AR技术的发展来说,意义十分重大。

创新

最近,美国伊利诺伊大学香槟分校科研人员提出了一种创新方法,旨在解决上述的老大难问题。他们开发出一种新型三维显示设备,可以大幅提升使用VR/AR设备时的视觉舒适度。该校的科研人员 Liang Gao 称:

“我们想要利用我们的三维显示设备,取代目前使用的AR和VR设备的光学显示模组,消除眼睛的疲劳。我们的方案能带来新一代的三维显示设备,它可以集成到任何的AR眼镜和VR头盔中。”

Gao 和Wei Cui 在光学会(OSA)的《光学快报》杂志上,描述了他们设计的这种光学映像的新型三维显示设备。这种新型显示模组的尺寸是1 x 2英寸,通过制造深度线索(这种感知与我们在真实世界中看到的深度大致相同), 提高观众的观看舒适度。

技术

首先,我们看看AR/VR设备为什么会引起眼部疲劳?

如今的VR头盔和AR眼镜在展示二维图片时,都会为观看者的大脑提供一种“暗示”,将这些图片组合成一幅三维场景的印象。这种立体显示会引起著名的“视觉辐辏调节冲突”(vergence-accommodation conflict),随着时间的推移,观看者融合图像的难度将增加,从而造成眼部的疲劳和不适。

对于视觉辐辏调节冲突,我通过以下这幅图片为大家简单介绍一下。

(图片来源:参考资料【3】)

在这幅图中,分别体现了观看真实物体和三维显示器上的虚拟物体时的情况,(A)(B)分别表示出不同情况下的视线聚合距离和焦点距离。(C)(D)分别表示视网膜中的观测点和其两侧图像的清晰度对比。由这幅图可以看出:(D)表示观测三维显示器上的虚拟物体时,观测点和其两侧的图像同样清晰,这与(C)中观测真实世界物体的情况是不同的,(C)的两侧图像是模糊不清的。

因此我们可以看出,三维显示器屏幕所发出的光线,并没有体现出这种深度信息。换句话说,它并没有因为各个虚拟对象的深度不同,发出具有差异的光线,而是和平面图像一样,相互基本上是一致的。然而,眼睛的焦点调节与这种深度是不匹配的,从而会产生视觉辐辏调节冲突。它与人类的正常生理规律相违背,会带来视觉疲劳和不适感。

上面这些只是简单粗略地为大家介绍一下这种现象,如果有读者想深入了解,可以阅读参考资料【3】。

那么,新技术方案是如何消除“视觉辐辏调节冲突”的?

这种新显示设备使用了一种光学映像技术显示三维图像。它通过将数字显示器拆分为子面板,每个子面板都可以创建出一幅二维图像。子面板图像被移至不同的深度,而所有这些图像的中心都相互对齐。这样一来,当用户使用目镜观看时,每张图像就像位于不同的深度。同时,研究人员也创建出一种融合图像的算法,使得深度看上去具有连续性,从而创造出一幅统一的三维图像。

这个新型系统的关键组件就是空间多路复用单元,它将子面板图像轴向地移动到制定的深度,同时侧向地移动子面板图像的中心到视轴上。在目前的装置中,空间多路复用单元由空间光调制器组成,空间光调制器可以根据研究人员开发的特定算法改变光线。

(图片来源:Liang Gao / 伊利诺伊大学香槟分校 )

尽管这个方案可适用于任何的现代显示技术,研究人员还是使用了有机发光二极管(OLED)显示器。它是一种最新的显示技术,已经应用于商用电视和移动设备。OLED显示器具有超高的分辨率,确保每个子面板都能具有足够多的像素,创建出一幅清晰的图像。

Gao 说:

“人们已经尝试了各种类似于我们的方案来创建多平面深度,但是他们并没能同时创建出多深度图像,而是非常快速地改变图像。然而,这种方案具有动态范围内的平衡,或者对比度等级,因为每幅图像显示的时间非常短。”

测试

研究人员通过使用该设备显示一幅停放汽车的复杂场景来进行测试。

他们在目镜前方放置了一个摄像头记录人眼看到的场景。摄像头能够对焦于远处的汽车,而前景保持不对焦的状态。同样,摄像头也可以对焦于近处的汽车,而后景保持模糊不清的状态。

经测试确认,新型显示设备制造出焦点线索,从而创造出场景中的深度知觉,这一点和人眼感知深度的方式十分相似。虽然这种演示时基于黑白图像的,但是研究人员称,这项技术也可以用于制造彩色图像,尽管横向分辨率会减退。

未来

目前,研究人员正致力于进一步减少系统的尺寸、重量和功耗。Gao 称:

“未来,我们想要以另外一种光学组件,例如体积全息光栅,取代空间光调制器。除了变得更小,这些光栅不会主动地消耗功率,会使得我们的设备变得更加紧凑,同时也提高了VR头盔和AR眼镜的舒适性。”

尽管目前研究人员还没有任何商业伙伴,但是他们已经开始和一些公司进行讨论,看看这种新的显示器是否可以集成到未来的AR和VR产品中。

参考资料

【1链接

【2】Wei Cui et al, Optical mapping near-eye three-dimensional display with correct focus cues, Optics Letters (2017). DOI: 10.1364/OL.42.002475

【3链接