Oculus研发部公布“开创性的”焦面显示技术

Oculus公司的VR和AR研发部门今天宣布推出一种新的显示技术,并称之为“焦面显示”。该显示技术旨在改善当今VR头显面对的视轴调焦冲突问题。Oculus称这项工作是“具有开创性意义的”。

Oculus研发部门发表了一篇论文,并将在今年7月的SIGGRAPH会议上介绍焦面显示的研究。 Oculus发布的视频(视频标题即为本文标题)简要说明了这一显示技术的所实现的功能。随附的一篇博客文章则提供了更多的细节。

焦面显示模拟了我们的眼睛自然地聚焦在不同距离的对象的方式,而不是试图添加越来越多的焦点领域以达到相同的视深。这种新方法改变了使用空间光调制器(SLM)以将头显的焦点绕过3D对象令光线进入显示器的方式,增加了深度并扩大了同时所能呈现的空间数量。

所有这些都有助于改善VR图像的清晰度和提供更自然的观看体验。

通过将领先的硬件工程学、科学和医学成像、计算机视觉研究和最先进的算法结合以推动下一代VR的发展,该项目采用高度跨学科的方法,这是一种据我们所知从未尝试过的方法。这一技术甚至可以让佩戴矫正镜片的人摘下眼镜舒适地使用VR。

研究人员正在采用一种空间光调制器,其似乎能够选择性地弯曲光线以改变其对于选定区域图像的焦点。

由Oculus研发部门的科学家Nathan Matsuda、Alexander Fix和Douglas Lanman撰写的研究论文总结如下:

焦面显示延续了变焦和多焦点的概念,进一步将虚拟图像自定义为场景内容。我们已经证明,得益于密切相关的自适应成像应用数十年的研究,新兴的相位调制SLM已经能够实现这一理念。我们展示了具有概念验证原型的高分辨率焦点堆叠复制品,并提出了解决联合焦点面和彩色图像分解问题的完整优化框架。通过统一基于目标的焦散、视网膜扫描显示和其他焦点调节支持的HMD等概念,我们希望启发其他研究人员利用可能解决HMD中的视轴调焦冲突的新兴显示技术。

尽管不是视轴调焦冲突问题的完美解决方案,Oculus正在将这一显示技术作为现有的VR显示技术到和具有理想的性能来处理视轴调焦冲突的显示技术“中间环节”。

Oculus在他们的博客文章中写道:“虽然我们距离得到最终面向消费者的产品还有很长一段路要走,但这项新兴技术为未来的研究开辟了一个令人兴奋和有价值的新方向。我们将一直致力于发布有利于VR / AR行业整体发展的研究成果。”

所谓的“变焦”显示器现在是一个热门的研究课题,因为它们使VR头显发出的光线更接近我们在现实世界中看到的光线,让我们的眼睛更自然、更舒适地聚焦在虚拟场景中。同样的技术也可以用来消除在使用VR头显时对眼镜的需求。

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焦面显示方法确实需要眼球追踪技术,这本身并不是一个已经解决了的问题。研究人员也很快承认,该技术难以在广泛的视场角下实现;上文中可以看到他们评估了不同技术的特点,这些技术已被用来实现变焦显示。

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在现实世界中,要将聚焦在近处的物体上,眼睛的晶状体会将来自该物体的光线聚焦到视网膜上,从而让人可以清楚地看到该物体。对于距离较远的物体,光线以不同的角度行进入眼睛,晶状体也需要折射光线以确保其聚焦到视网膜上。这就是为什么,如果我们闭上一只眼睛,并将焦点放在距人脸几英寸的手指上时,手指后面的世界是模糊的。相反,如果聚焦于手指后面的世界,手指会变得模糊。这个过程叫做焦点调节(accommodation)。

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然后是辐轴调节,这是当两只眼睛向内旋转以将每个眼睛的单独视图“收敛”成一个重叠的图像时形成的。对于非常遥远的物体,两只眼睛几乎是平行的,因为它们之间的距离与距离物体的距离相比是如此之小(这意味着每只眼睛看到物体几乎相同的部分)。对于非常近的物体,眼睛必须向内旋转以收敛图像。在上面的手指问题也说明了这一原理,在面前几英寸的地方举起手指,这一次用双眼看着它。你会注意到这一次手指后面的物体是重影的。然后,当看向手指后面的物体时,会看到手指的重影。

我们可以使用精确的仪器通过视轴或调节来确切了解一个人所看到的某个物体的距离。但实际上,辐轴调节和焦点调节会自动地同时进行。而且他们不只是同时发生;在辐轴调节和焦点调节之间存在直接的相关性,因此对于任何给定的辐轴体调节程度,都有一个直接对应的焦点调节水平(反之亦然)。在我们还是婴儿时,我们的大脑和眼睛已经形成肌肉记忆,无论何时看向何物,这两件事情都会不需要任何思考地同时发生。

但是说到当今大部分的AR和VR头显,由于光学设计的固有局限性,辐轴调节和焦点调节还不能同步。

在基本款的AR或VR头显中有一个显示器(可以说在距离使用者的眼睛3英寸远的位置),它生成了虚拟影像,而一个镜头将来自显示器的光线聚焦到你的眼睛上(就像人眼的晶状体通常会将来自外界的光线聚焦到视网膜上)。但是,由于显示屏距离使用者的眼睛的距离是静止不变的,来自该显示屏上显示的所有对象的光线都来自相同的距离。所以即使是五英里远的虚拟山峰和五英寸远的桌子上的咖啡杯,两个物体的光线都以相同的角度进入眼睛(这意味着焦点调节——晶状体的弯曲程度——从来没有变化)。

这与头显中的辐轴调节发生了冲突,辐轴调节是可以变动的,因为我们可以向每个眼睛显示不同的图像。今天的AR和VR头显能够实现立体视觉,本质上就是通过分别调整每只眼睛看到的图像,使我们的眼睛需要收敛于不同深度的物体。但是现在可以制造出的最可行的(也可以说是最舒适的)显示屏将消除视轴调焦问题,让两者同步工作,就像我们在现实世界所习惯的那样。

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责任编辑:Yifan
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