FRL显示与视觉研究:短焦+动态变焦进展迅速

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在此前的EI 2020中,FRL显示系统负责人Douglas Lanman分享了有关动态变焦与缓解视觉辐辏的解决方案,并表示在原型机Half Dome上已经得到充分验证,甚至这套系统已经接近应用到量产设备的阶段。

同样是年初举行SPIE大会AR VR MR论坛中,Lanman同样分享了整套VR显示技术的研发流程,该视频已于近期公布在SPIE官网,从中我们了解到Facebook在光学系统研发的一些细节。

FRL Half Dome

技术研究与应用的九个阶段

和任何技术研究一样,FRL内部将VR显示系统的研究与应用分成9个阶段。

  • 1,基础研究:遵循的基本原则;
  • 2,技术制定:分析技术概念以及原理;
  • 3,初步验证:通过实验来验证可行性;
  • 4,小规模原型:在实验室中进一步验证;
  • 5,大规模原型:在预期环境下进行初步验证;
  • 6,技术原型阶段:在理想状态下进行性能验证;
  • 7,原型演示阶段:在实际使用状态进行性能验证;
  • 8,初步商业应用:整套系统合格、合规的运行;
  • 9,大范围商业应用:经过大范围验证可大面积应用。

据悉,这套技术研发的流程最初由NASA使用,后来被广泛采用。Lanman表示:通常的研发人员往往会集中在2、3、4三个阶段,在将此阶段的研究成果发表之后往往会转向其它项目,因此很少看到研究人员会跟进后续的研究和应用中。

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毫无疑问,FRL部门足够领先,其中的显示与视觉研究团队同样也是独一无二的,Lanman表示:因为该团队有能力在1-6阶段进行工作,技术研究的首要原则不仅仅是技术原理和验证,更要将延伸到技术原型测试阶段,因此FRL显示与视觉研究团队的研究工作往往更接近“成品(技术落地)”。

Lanman谈到:FRL显示与视觉研究团队的独特之处在于,我们并非创业团队,也也不是一家大公司,也不是专业学者。我们从最基础的视觉科学研究出发,并尝试开发更为接近量产的原型(同时还表示,原型比绝大多数创业团队的原型方案还要更深一步)来改变这一切。

Half Dome进展迅速

FRL显示与视觉研究团队的研究成果主要应用在“Half Dome”系列原型机中,该系列原型VR主要特点是支持动态对焦,改善视觉辐辏,这在目前的消费级VR是从未出现的过的技术。

目前Facebook关于VR产品原型最新的就是Half Dome 3,不仅光学模组体积较Half Dome 2更小巧,而且同样支持64个焦平面的动态对焦显示,做到流畅的焦平面切换。

OC6 Half Dome 3对比1代

左:Half Dome 3、右:Half Dome 1

之所以体积能够大幅缩小,是因为Half Dome 3采用了折叠光路方案,就是所谓的短焦光学,特点就是缩短对焦距离,目标就是打造更轻便、小巧的VR头显。

而Half Dome 1原型最初于2018年亮相,其通过动态变焦显示,当时放出的一段视频展示了其基于物理移动的特性,在屏幕快速移动过程中还伴随不小的噪音。

OC6 Half Dome 对比

左至右:Half Dome 1、Half Dome 2、Half Dome 3

虽然我们还不确定,Half Dome原型设计应用到商用还有多远。但Lanman表示:Half Dome 1中基于物理模块的动态变焦显示已经到达第6阶段,而支持光路折叠的Hlaf Dome 3则处于第5阶段,并且准备基本完成。“似乎也表明:离商用不远了”。

FRL Half Dome

Half Dome 3内部结构图

打造世界首个HDR VR头显

HDR的概念我们可能在电视、手机屏幕上经常听说,这里说的统一指的是“显示HDR”,不要与拍照HDR、摄影HDR等混淆。通常显示HDR一般要求屏幕最大亮度足够高(2D显示器最低要求400nit亮度,通常1000nit可以带来更好效果),且具备高色域、对比度,产生类似真实环境中的明暗对比度,比如暗部阴影和阳光的光影效果等,从而大幅提升沉浸感。

Lanman谈到:打造世界第一台HDR VR头显是第一步工作。目前,消费级的VR头显亮度普遍偏低,多在200nit以内、也有很多入眼亮度在100nit以内,这种亮度级别显然无法完整明亮的对比度显示。因此,FRL决定打造新的显示方案。

FRL Half Dome

FRL在HDR上的解决思路是,通过准直透镜和漫射器来尽可能传递更多的光,再将显示画面进行双层处理目的是增强画面的对比度,最后在经过专有透镜传递到人眼。

FRL Half Dome

未来验证这一设计可行性,FRL团队打造了一个桌面原型,并且呈现出HDR效果的显示模组,最大亮度6000nit,不过这种亮度级别是无法应用到小型化的VR头显中来,因为透镜以及模组的体积太大了。

FRL 动态变焦

Half Dome 3动态变焦示意图

因此,Half Dome 3的意义就在于缩小模组体积,同时具备可变焦显示、HDR等能力。

AR瞳孔引导方案

不仅仅是VR光学,Lanman还提到了AR光学研究,其中之一就是应用于AR眼镜的,基于“瞳孔引导”的视网膜显示方案。该方案特点是:现实模组会跟随你眼睛瞳孔注释方向移动,从而实现一个理论上更大视场角的显示方案,同时还不影响动眼框。

FRL  瞳孔引导

AR瞳孔引导显示原理

这里面就要研究清楚,屏幕移动范围究竟多大才能实现较好的显示效果与性能的平衡。

为了探究这一问题,FRL研究员打造了一个模拟的视网膜显示器,从而验证图像亮度、移动范围、移动速度(以及移动速度慢导致的潜在问题)等问题,而这些研究已经于去年发表论文《近眼显示瞳孔引导系统中视网膜成像的质量》。

Lanman总结到:经历了五年半时间,我们在更广的研究领域收获了更多快乐,从第1阶段开始,我们就尝试通过基础视觉技术推动我们的研究;在第2-4阶段,我们还有很多为准备就绪的创意,我们会在某个时刻进行研究;在第5到更高的阶段,我们在尝试做更多的事情,例如Half Dome原型。

最近2年,我们一直在报道FRL的技术研究与成果。不得不承认,FRL部门一直在积极向业内分享最新的研究成果,给行业提供了巨大的帮助与判断。作为AR/VR领域的领头羊,Facebook也在发挥巨头在AR/VR应有的作用,凭借自身资源与技术优势,将研究成果分享以推动行业共同进步。

参考:SPIE

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