Meta Cambria光学分析(二):Half Dome 3变焦技术Ready?

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此前,AR/VR光学专家Karl Guttag分析Meta今年将发布的Cambria VR头显将配备可变焦液晶透镜。除此之外,也有人认为Cambria可能就是Meta此前展示的VR原型Half Dome 3。

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实际上,在2020年举行的EI学术会议上,Meta Reality Labs科研团队的现实系统总监Doug Lanman就曾展示Half Dome 3配备的可变焦液晶透镜系统,并表示该系统可以更好的解决视觉辐辏调节冲突(VAC)问题。在2019年的F8大会上,Meta Reality Labs首席科学家Michael Abrash也曾展示可变焦VR头显Half Dome 3配备的液晶组合透镜方案。

Lanman表示:经过一年半时间,Reality Lab的光学团队为Half Dome 3研发了一种电驱动的可变焦光学模组,其特点是包含6层非球面液晶透镜(PBP透镜或GP透镜结构),每一层透镜都足够薄、具有衍射特性。此外,每一层液晶透镜中都放置了可切换的半波片,整个结构可看作是双透镜复合结构。

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Guttag指出,从现有的信息来看,Half Dome 3似乎就是Meta专利的体现。而Lanman在2020年的演示中,就曾指出Half Dome 3已经准备就绪,那么不禁引人猜测,Cambria的原型设计是否为Half Dome 3?它是否采用了可变焦液晶透镜方案?

本文将对上述问题进行分析,其中的一些关键点包括:

  • 1)Cambria已经开发6年多时间,或采用Half Dome 3原型设计;
  • 2)Meta每年在AR/VR技术上投入约100亿美元,团队拥有1万名顶尖专家;
  • 3)Carmack担心可变焦系统的效果;
  • 4)2021年SID ICDT论文中展示的液晶透镜效果还不够理想,似乎还在研究阶段;
  • 5)液晶菲涅尔可变焦透镜与Pancake结合的方案存在图像质量问题。

VAC是一个现实的难题

Guttag表示:现如今,AR/VR硬件、软件厂商都在努力改善VAC视觉问题。相关症状因人而异,VAC可能会引起眩晕、头痛或视觉疲劳。作为让VR的视觉焦距与人眼焦距匹配的方案之一,注视点渲染技术有多种形式,比如由机电、静电结构控制的机械光学方案,或是基于流体的柔性透镜、静电透镜、多层波导模组、可变焦液晶透镜组等等。

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在EI 2020的演讲中,Lanman讨论了关于可变焦系统的深度感知能力的话题。他指出,物体之间的遮挡关系对深度感知的准确性有很大影响,尤其是在预测近处和远处物体之间的距离时。通常,人们通过遮挡、运动视差来判断物体的远近距离,而当远处的大物体由于天气而显得朦胧时,则容易出现空中透视现象,从而影响深度感知的准确性。

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另一个值得注意的问题是,考虑到VR头显的摄像头与人眼存在一定距离,视频透视AR的效果容易和人眼视觉存在差距。Cambria通过短焦光学,已经在缩短摄像头和人眼之间的距离,但不管距离多近,视频透视的体验感也会受到影响,长时间观看甚至可能影响人眼的正常视场角,因为人眼已经适应了不自然的观感。

关于VR边界范围

Lanman指出,大部分AR/VR头显的追踪范围在10米以内,在这个有限的范围内,你在透视AR模式中感知深度通常是通过双目视差、运动视差、汇聚/聚散、调节等线索。其中,调节指的是人眼根据深度、距离变化而动态调整光学倍率,也就是动态聚焦。目前,动态聚焦是限制VR用户感知深度的关键问题。

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上图对比了各种可调节显示方案的优缺点,其中Half Dome 3基于Varifocal方案,通过眼球追踪技术来识别动态的人眼汇聚信息,然后显示模组会同时调节焦距,整个VR画面的焦距是统一变化的,不会渲染远近景的焦点差距。

Meta此前公布的动态模糊方案DeepFocus也许可以解决这一问题,它可以渲染焦距外围的模糊效果,不仅可以实现良好的注视点渲染,也可以通过清晰和模糊视觉线索,来突出远近物体之间的深度关系。

关于Half Dome

Guttag指出,Meta至少从2016年就开始研发Half Dome和相关项目,其研发的Half Dome原型看起来似乎比市面上的一些AR/VR成品更好。

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据了解,Half Dome 1和2采用电驱动的机械变焦显示模组,相比之下Half Dome 3采用液晶透镜组来取代机械元件,只需要用电来控制透镜即可实现VR动态变焦。Half Dome 3配备的6层液晶透镜可模拟64种不同的焦距/屈光度。

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尽管如此,Half Dome的实用性还有待验证,比如多层透镜对VR分辨率的影响有多少?是否有可行的量产方案呢?这些都是需要解决的问题。

如果将液晶透镜与菲涅尔透镜结构结合,则需要考虑不连贯结构而造成的衍射问题,即使只有一层透镜都可能影响图像质量,多层的方案效果更加令人担忧。此外,液晶透镜对于偏振光的影响由入射光线的角度决定,而光线垂直进入时,液晶透镜的光学效果最佳。

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来自Meta去年6月在SID ICDT期刊发布的论文,其中图6指出VR图像中心到外围的清晰度明显下降(单层透镜),而多层叠加的整体图像质量变化未知。

约翰·卡马克怎么看

在去年FC大会的Q&A环节,前Oculus CTO约翰·卡马克发表了对于VR可变焦显示模组的看法,他表示:理想的可变焦系统显然可以提升VR显示效果,但这同时还需要平衡成本、体积、重量、散热等方面。只有采用合适的可变焦方案,才能为VR带来价值,如果只是采用质量平庸的变焦方案,那么只能带来负面价值。

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除此之外,可变焦方案还需要解决一系列用户体验问题,包括眼球追踪响应速度、准确性等等。即使现有的方案在实验室中运行良好,实际应用到广泛的人群中可能又会遇到问题。

卡马克对于可变焦显示的看法,似乎暗示了Meta内部对于变焦显示存在技术上的分歧,卡马克不仅担心眼球追踪的效果,也担心离散变焦的实际效果。

Pancake对比菲涅尔透镜

在2018年的SPIE Photonics Eruope上,Meta发表了一篇名为“沉浸式近眼显示系统的视觉光学方案:瞳孔游移/尺寸和重量/杂散光”的论文,论文中对比了Pancake和菲涅尔透镜。此外还指出Half Dome 3同时配备了Pancake透镜和菲涅尔透镜,其中Pancake透镜的目的是折叠光路,而菲涅尔透镜则负责变焦。

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不过,论文中的效果图显示Pancake光学的对比度较差,而且还会引起画面重影。

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此前,Meta证实Cambria将采用Pancake透镜,可能并非基于Half Dome 3原型,因为Pancake和液晶菲涅尔透镜的复合方案还不理想,牺牲对比度的同时,画面还会出现重影。

总之,可运行的方案不一定能满足用户的期待,还需要满足图像质量、人体工学、量产、成本等要求。在AR/VR领域,虽然一些技术足够超前、足够吸引人,但它距离成熟的产品却存在很大差距。

Cambria变焦优势:

  • Meta在过去6年的持续研究;
  • Lanman的2020年似乎透露,变焦方案已准备好产品化。
  • Meta在Connect 2021上的演示看起来和Half Dome3很像;
  • Meta每年巨额资金投入,超万名顶尖的AR和VR人才。

Cambria变焦劣势:

  • Carmack在Connect 2021问答持怀疑态度;
  • 眼动追踪表现可能还不理想;
  • Meta 2021年SID ICDT论文看上去还处于研究阶段;
  • 将菲涅尔和短焦Pancake透镜结合的可变焦点光学在图像质量上可能存在问题。

参考:Karl Guttag

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