CREAL AR/VR原型体验:光场显示效果自然,硬件方案还需优化

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2019年CES上,由欧洲核子研究委员会CERN前工程师Tomas Sluka和Tomas Kubes创办的CREAL3D展示了一款基于广场技术的3D显示系统,其特点是支持动态变焦,小字可以清晰显示,可缓解AR/VR晕动症问题。

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去年初,CREAL又公布了基于光场显示的AR和VR头显原型参考设计,看起来比市面现有的AR/VR头显体积大不少,那么具体显示效果如何呢?近期,外国博主Skarredghost对其进行了独家上手体验,他表示:CREAL的两款原型头显代号分别为Sue和Zorya,其采用的光场系统让AR/VR图像更生动、立体,动态变焦效果好,不过现有的原型还需要优化重量、设计、混合显示屏等问题。

关于CREAL光场技术

据了解,CREAL主要目标是解决AR/VR中动态对焦,以及人眼焦距和画面焦距不匹配的问题。自然的人眼视觉效果,通常是视觉中心的物体清晰,而周围的物体看起来模糊。如果显示屏直接在你眼前模拟3D图像,整个画面都在聚焦,而不是随着深度和注视点变化来渲染每一部分画面的焦距变化。这种视觉体验并不自然,不符合人眼观看真实环境的视觉规律,同时也会造成视觉疲劳、眩晕等问题。

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这种对焦差异不仅出现在VR中,在HoloLens等AR眼镜中也存在。比如,当你用手托住AR眼镜在近处渲染的虚拟小鸟,会发现如果对焦在小鸟上,手就看起来模糊,如果注视点对焦在手上,那么小鸟看起来就模糊。这是因为小鸟是AR头显渲染的,而手是真实光线透入人眼的,尽管二者在同一个位置,但并不在一个焦点平面上。

传统的AR/VR光学是利用固定距离的显示屏来渲染图像,通过模拟双目视差来营造立体感,因此你看到的所有内容都来自显示器所在的位置。其缺点是缺少动态变焦,无法模拟人眼注视点快速移动时的视觉效果。然而在真实场景中,你眼前看到的画面包含了来自多个方向、深度的光线,是自然的立体感。

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那么,如果模拟自然环境中光线传播的规律,在物理环境中显示3D物体,然后再让你用肉眼看到,效果是否会更自然呢?目前,做到这一点的有两种方案:全息技术和光场技术。

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左:错误对焦;右:正确对焦

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相比于AR/VR显示屏,光场系统可以更好的解决动态对焦问题,因为它的原理是在物理空间中投射高密度的光线集合,相当于用光来重建3D物体,而不是模拟视觉立体感。当你在CREAL中看到3D模型,那种体验就像在观看有体积的实物那样。也就是说,CREAL的目标是预测物理场景中每一道光线的特性,以模拟出自然的光场环境。

CREAL AR头显体验

Skarredghost体验的AR头显代号为Sue,其外壳由3D打印的蓝白塑料材质组成,外壳下方有两个光学透镜。此外,Sue配备物理IPD和适眼距调节,使用时需要连接电脑来运行。

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初次体验时,他以为和HoloLens差不多,因为Sue显示的3D AR也是半透明的,而且视场角也有限(对角线FOV 50°到60°),超出视场角的图像会被切割。

从近处观看AR图像的视觉体验自然,可以清晰对焦。此外,在观看3D化身向他伸手时,他表示AR图像从远处移动到近处的动态变化足够逼真(虚拟手和身体处于不同的位置,因此焦点平面也动态变化),视觉效果震撼,就像是人从电视屏幕走出来的感觉。

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Sue通过配备的Intel RealSense深感模块来定位AR,允许使用者从多个角度查看同一个位置的3D物体。而通过Ultraleap手势识别技术,你也可以和AR互动。

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那么,CREAL的光场技术和HoloLens、Magic Leap又有什么不一样呢?Skarredghost表示:在思考过后才发现,之前没发现CREAL的特别之处,是因为它带来的3D AR效果足够自然,并不会让我感觉到异样。也就是说,其体验感足够沉浸,大脑可能会认为眼前的AR是真实的。因此实际上,其显示效果要优于市面上的AR眼镜。

当体验者近距离观看3D物体时,发现可以识别物体深度的细微变化(比如表面结构的起伏),效果看起来甚至比普通的3D图像更立体、更生动,仿佛为AR/VR增加了额外的维度。CREAL与现有AR/VR技术的区别,就像是2D和3D电影,分辨率差不多,但是3D电影增加了额外的立体感、逼真度。

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此外,当体验者近距离观察AR小鸟时,即使它已经非常靠近,也并没有变模糊,双眼仍然可以聚焦。总体来讲,其视觉效果与观看真实场景足够接近,因此难以察觉虚拟和现实之间的差距。

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而且,CREAL的动态变焦效果足够自然,你的注视点放在哪里,哪里就清晰,而余光部分则变得模糊。而如果观看同一个位置的虚拟和真实画面,也不会产生焦点平面不匹配的问题。

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Skarredghost表示:在体验CREAL时,我的大脑和双眼好像被欺骗了,甚至以为AR是真实的。

需要改进的部分:

  • FOV有限;
  • 体积大、佩戴感不舒适;
  • AR透光度比HoloLens更重,或与光组合器有关,
  • AR图像还需要降噪;
  • 人眼聚焦在AR上依然会产生视觉疲劳;
  • 设置过程复杂。

CREAL VR头显体验

Skarredghost体验的VR头显代号Zorya,他表示:Zorya非常笨重,像是在头上戴了个砖头。在调节好IPD等功能后,他却改变了对Zorya的第一印象,发现其体验有点类似于Varjo,即FOV 30°的视觉中心用光场技术来显示,而其他部分则用标准VR显示屏来显示,通过缩小光场显示的范围,来降低硬件体积。余光部分对视觉清晰度的要求略低,因此使用普通的VR显示屏。

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CREAL VR头显体验感同样自然,光场显示足够逼真,3D虚拟图像生动、清晰、细节,动态变焦自然,且文字也可以清晰显示。

据称,Zorya采用的VR屏幕来自于Vive Pro,通过对比Vive Pro显示屏和光场图像之间的切换效果,可以明显看到余光图像从不够立体到中央变得越来越立体。尽管Vive Pro显示屏单目分辨率1440x1600,已经足够清晰,但和光场显示效果还差很多。

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CREAL是一家在瑞士洛桑理工学院(EPFL)孵化的科技公司,其成立于2017年,致力于研发光场技术,创始人为Tomas Sluka。目前,该公司成员达到20人,包括一些来自Intel、Magic Leap等科技公司的行业专家。这家公司的目标是,创造一种高效的光场显示系统,可以让你用肉眼看到虚拟像素,让AR/VR显示效果更逼真。

实现光场显示有多种方案,比较常见的是结合微型透镜阵列和显示屏,通过弯曲像素发出的光,将像素变成定向光线投射到用户眼球中。通过组合光线,便可以形成肉眼可见的立体虚拟像素合集。

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在此基础上,CREAL针对AR/VR头显进一步优化光场显示技术,比如:由于人眼在头显中移动范围有限,余光看到的通常是模糊的,因此可以减少需要计算的光线,限制显示范围。也就是说,只清晰显示你眼前能看到的光场部分,而余光只有几个位置渲染高分辨率光场。

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其硬件方案包含针灯、光调节器(用于弯曲光线)等等。

需要改进的部分:

  • 光场部分的FOV只有30°;
  • 光场显示区域和非光场显示区域边界明显,缺少自然过渡;
  • VR画面中央亮度不够高;
  • 近距离可以看到明显的视觉噪点;
  • 依然会引起视觉疲劳;
  • 体积大、重量大;
  • 设置复杂。

总之,CREAL展现了具有前景的AR/VR光场显示技术,比现有的AR/VR头显效果更逼真、生动,同时也解决了视觉辐辏调节冲突的动态变焦问题。不过,目前其产品还处于原型开发阶段,还需要进一步优化。参考:Skarredghost

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