AR/VR 顯示技術原理 (上)

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@Kore

隨著 Google Glass 和 HTC Vive 頭戴設備正成為增強現實和虛擬現實的新趨勢。 戴設備屏幕 (head-mounted displays，HMDs)，它包含兩個基本元素： 光學元件和 圖形顯示。

光學

在了解光學基礎之前，我們需要了解人眼的基本屬性。

視場 FOV (Field of View)

它主要表示人眼能看到的圖像的最大角度范圍。對于普通人來說，我們的眼睛水平方向是 200 度，會有 120 重疊度。雙眼重疊部分對人眼構建立體感和景深非常重要，我們稍后會討論，垂直視角約為 130 度。

瞳間距 IPD (Inter-pupillary distance)

這更容易理解，是人眼瞳孔的距離，它對雙眼視覺系統(tǒng)有重要的影響。瞳孔距離在不同的人、性別和種族之間是不同的。錯誤的瞳孔距離計算會影響眼鏡的對齊、圖形扭曲、視覺疲勞和頭暈。一般來說，成年人的瞳孔距離是63mm，浮動范圍是 50–75mm。孩子最小瞳距約為 40 mm。

出瞳距離 (Eye relief)

這意味著人眼角膜與第一個光學元素表面之間的距離。這意味著你可以看到整個視野。這也是一個重要的考慮因素，尤其是那些視力矯正的學生。眼鏡的瞳孔距離約為 12 mm。 對于頭戴設備，讓用戶適應當前 瞳距離很重要。

出射光瞳 (exit pupil)

光學系統(tǒng)中出射光瞳是光圈的真實直徑，只有通過這種真實直徑的光才能離開系統(tǒng)。

視窗

它是指用戶體驗虛擬現實空間中瞳孔存儲的體積。

用眼數量 (Ocularity)

它用于測量人類看東西所需的眼睛數量。我們都用兩只眼睛來感知，所以我們不必考慮眼睛的數量。

單眼成像 (Monocular display)

顯示設備允許用戶通過一個顯示元素或鏡頭在一個單獨的視覺通道中觀看。這個鏡頭出現在用戶的一只眼睛前面，另一只眼睛可以查看外面的其他內容。單眼成像在生活中得到了廣泛的應用，不容易受到外部因素的影響，但它不能為用戶提供三維的景深，不能產生較低的對比度。Google Glass 基于這種模式。

雙眼單通道 (Biocular)

它將提供一個單獨的視覺檢查通道，但您可以根據設備中的折射進行眼睛觀察。它也會缺乏三維感，但適合更高精度的觀察工作。

雙眼雙通道 （Binocular)

每只眼睛都能得到一個獨立的視野，從而形成一個三維的視角。它將為用戶提供景深和沉浸式的感覺。但你也是最復雜的計算系統(tǒng)。

光學架構

眼部光學設備主要解決三個問題：

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)

一般有兩種光學設計系統(tǒng)，或增強現實或虛擬現實的基本結構，pupil forming 以及 non-pupil forming。

Non-pupil forming 非直視結構

它由一些單獨的鏡頭組成，如常見鏡頭 HTC Vive, Oculus Rift 和 Sony PSVR都是基于這種設計的。這種設計通過放大鏡直接投射到太顯示屏上。

pupil forming 直視型結構

這種設計需要在視窗中進行更復雜、更輕的設計，在渲染光線時會造成明顯的效果 枕形失真的設計，鏡頭會產生 桶形失真 從而抵消這種效果。這種設計通常用于不需要沉浸式設備，如 Microsoft’s Hololens 和 Google glass。

波導

顧名思義，它是一種物理光學結構設計，可以使光曲折進入人們的眼睛。這是用來控制內部反射和光進出的。工業(yè)上有四種波導結構設計。

全息波導 (Holographic waveguide)

這是一種相當簡單的光學元件波導類型，如耦合（進入）和外部耦合（退出）。 這種類型用于Sony 的 S ** rt Eyeglass。

衍射波導 (Diffractive waveguide)

通過顯示器實現無縫3D覆蓋圖形。 許多波導都被使用Vuzix 顯示設備和Microsoft的Hololens中。

偏振波導 (Polarized waveguide)

光進入波導，并通過部分偏振表面進行一系列內部反射。 選定的光波會抵消(偏振)并進入觀眾的眼睛。 該方法由Lumus DK-50 AR眼鏡使用。

反射波導 (Reflective waveguide)

這類似于全息波導，其中單個平面光導與一個或多個半反射鏡一起使用。 在愛普生的Moverio和Google Glass這種波導可以在中間看到。

全沉浸式顯示技術顯示類型

這些都是標準的完全沉浸式虛擬現實顯示器。 這些立體顯示器與傳感器結合起來跟蹤位置和方向。 它們像《 Ready Player One》一本書完全阻擋了用戶對外界的視野。

光學透視型

在“光學 ** 用戶可以通過光學元件(如全息波導等可以在現實世界中疊加圖形的系統(tǒng))直接查看現實。 微軟的Hololens，Magic Leap One和Google Glass是最近通過智能眼鏡進行光學透視的例子。

視頻透視型

借助這些智能眼鏡，用戶可以觀看安裝在顯示器上的一兩個攝像頭首先捕獲的真實圖像。 然后將這些相機視圖與計算機生成的圖像結合起來供用戶查看。 HTC Vive VR 頭顯有內置攝像頭，通常用于在設備上創(chuàng)建 AR 體驗。

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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