新型三維顯示設備：改善VR/AR產品視覺舒適度！

導讀

時下，VR和AR技術已成為非常熱門的前沿科技。然而用戶使用這些設備時，眼睛往往會產生疲勞和不適。最近，美國伊利諾伊大學香檳分校科研人員提出了一種創新方法，可以大幅改善使用VR/AR設備時的視覺舒適度。

關鍵字

VR、AR、顯示設備

背景

VR 和 AR，都是當下非常熱門的前沿科技，廣受業界關注與追捧。但是，也許很多朋友還是不太熟悉這兩個概念，有必要先為大家科普一下，以便大家後續更好地了解今天所要介紹的創新科技。

VR（Virtual
Reality）即虛擬現實，就是用計算機模擬創建出一種三維虛擬世界，讓用戶沉浸於其中，產生視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，並與虛擬環境進行實時交互。

AR（Augmented Reality）即增強現實，就是用計算機技術，將虛擬世界的信息與真實世界相結合，讓虛擬環境和真實環境同時疊加到一個畫面中，並進行實時互動。

一般來說，VR，是讓用戶沉浸在完全虛擬的世界中（通常會採用封閉式的頭戴設備）；AR，則會讓用戶看到真實世界的畫面，並在此基礎上疊加虛擬環境（通常會採用具有一定透明度的眼鏡）。

如今，許多科技巨頭和創業公司都紛紛推出自己的VR/AR產品。例如，微軟推出的頭戴設備HoloLens，之前筆者在《「瞬間轉移」？微軟新的AR技術holoportation給你一種全新體驗》一文中，也介紹過利用這款設備與微軟新開發的技術，用戶可以和遠方朋友的全息影像進行互動，體驗一種遠在千里，卻近在咫尺的實時互動效果。

（圖片來源：微軟研究院）

另外，谷歌推出了廉價的VR設備
Cardboard，三星推出了Gear VR，索尼推出了PlayStation VR，Oculus 公司推出了Rift，HTC
推出了Vive。還有消息稱，蘋果也在研發自己的AR眼鏡。除了以上這些，筆者也曾在多篇文章中介紹過VR/AR相關的技術和產品，有興趣的朋友可以參考一下歷史文章。

雖然目前市場上充斥著各式各樣的VR/AR產品，但是很長時間以來，用戶使用VR/AR產品時，都存在著一個明顯的痛點：眼睛的疲勞和不適，甚至會有眩暈感。這個問題非常影響用戶的佩戴體驗，同時也妨礙了VR/AR產品進一步走向成熟。如果能解決好此問題，對於VR/AR技術的發展來說，意義十分重大。

創新

最近，美國伊利諾伊大學香檳分校科研人員提出了一種創新方法，旨在解決上述的老大難問題。他們開發出一種新型三維顯示設備，可以大幅提升使用VR/AR設備時的視覺舒適度。該校的科研人員 Liang Gao 稱：

「我們想要利用我們的三維顯示設備，取代目前使用的AR和VR設備的光學顯示模組，消除眼睛的疲勞。我們的方案能帶來新一代的三維顯示設備，它可以集成到任何的AR眼鏡和VR頭盔中。」

Gao 和Wei Cui 在光學會（OSA）的《光學快報》雜誌上，描述了他們設計的這種光學映像的新型三維顯示設備。這種新型顯示模組的尺寸是1 x 2英寸，通過製造深度線索（這種感知與我們在真實世界中看到的深度大致相同）， 提高觀眾的觀看舒適度。

技術

首先，我們看看AR/VR設備為什麼會引起眼部疲勞？

如今的VR頭盔和AR眼鏡在展示二維圖片時，都會為觀看者的大腦提供一種「暗示」，將這些圖片組合成一幅三維場景的印象。這種立體顯示會引起著名的「視覺輻輳調節衝突」（vergence-accommodation conflict），隨著時間的推移，觀看者融合圖像的難度將增加，從而造成眼部的疲勞和不適。

對於視覺輻輳調節衝突，我通過以下這幅圖片為大家簡單介紹一下。

（圖片來源：參考資料【3】）

在這幅圖中，分別體現了觀看真實物體和三維顯示器上的虛擬物體時的情況，(A)(B)分別表示出不同情況下的視線聚合距離和焦點距離。(C)(D)分別表示視網膜中的觀測點和其兩側圖像的清晰度對比。由這幅圖可以看出：(D)表示觀測三維顯示器上的虛擬物體時，觀測點和其兩側的圖像同樣清晰，這與(C)中觀測真實世界物體的情況是不同的，(C)的兩側圖像是模糊不清的。

因此我們可以看出，三維顯示器屏幕所發出的光線，並沒有體現出這種深度信息。換句話說，它並沒有因為各個虛擬對象的深度不同，發出具有差異的光線，而是和平面圖像一樣，相互基本上是一致的。然而，眼睛的焦點調節與這種深度是不匹配的，從而會產生視覺輻輳調節衝突。它與人類的正常生理規律相違背，會帶來視覺疲勞和不適感。

上面這些只是簡單粗略地為大家介紹一下這種現象，如果有讀者想深入了解，可以閱讀參考資料【3】。

那麼，新技術方案是如何消除「視覺輻輳調節衝突」的？

這種新顯示設備使用了一種光學映像技術顯示三維圖像。它通過將數字顯示器拆分為子面板，每個子面板都可以創建出一幅二維圖像。子面板圖像被移至不同的深度，而所有這些圖像的中心都相互對齊。這樣一來，當用戶使用目鏡觀看時，每張圖像就像位於不同的深度。同時，研究人員也創建出一種融合圖像的演算法，使得深度看上去具有連續性，從而創造出一幅統一的三維圖像。

這個新型系統的關鍵組件就是空間多路復用單元，它將子面板圖像軸向地移動到制定的深度，同時側向地移動子面板圖像的中心到視軸上。在目前的裝置中，空間多路復用單元由空間光調製器組成，空間光調製器可以根據研究人員開發的特定演算法改變光線。

（圖片來源：Liang Gao / 伊利諾伊大學香檳分校 ）

儘管這個方案可適用於任何的現代顯示技術，研究人員還是使用了有機發光二極體（OLED）顯示器。它是一種最新的顯示技術，已經應用於商用電視和移動設備。OLED顯示器具有超高的解析度，確保每個子面板都能具有足夠多的像素，創建出一幅清晰的圖像。

Gao 說：

「人們已經嘗試了各種類似於我們的方案來創建多平面深度，但是他們並沒能同時創建出多深度圖像，而是非常快速地改變圖像。然而，這種方案具有動態範圍內的平衡，或者對比度等級，因為每幅圖像顯示的時間非常短。」

測試

研究人員通過使用該設備顯示一幅停放汽車的複雜場景來進行測試。

他們在目鏡前方放置了一個攝像頭記錄人眼看到的場景。攝像頭能夠對焦於遠處的汽車，而前景保持不對焦的狀態。同樣，攝像頭也可以對焦於近處的汽車，而後景保持模糊不清的狀態。

經測試確認，新型顯示設備製造出焦點線索，從而創造出場景中的深度知覺，這一點和人眼感知深度的方式十分相似。雖然這種演示時基於黑白圖像的，但是研究人員稱，這項技術也可以用於製造彩色圖像，儘管橫向解析度會減退。

未來

目前，研究人員正致力於進一步減少系統的尺寸、重量和功耗。Gao 稱：

「未來，我們想要以另外一種光學組件，例如體積全息光柵，取代空間光調製器。除了變得更小，這些光柵不會主動地消耗功率，會使得我們的設備變得更加緊湊，同時也提高了VR頭盔和AR眼鏡的舒適性。」

儘管目前研究人員還沒有任何商業夥伴，但是他們已經開始和一些公司進行討論，看看這種新的顯示器是否可以集成到未來的AR和VR產品中。

參考資料

【1】http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/new_3d_display_takes_the_eye_fatigue_out_of_virtua/?utm_source=osaHome&utm_campaign=slider&utm_term=sliderlink&utm_content=OpLtr%20VRFatigue

【2】Wei Cui et al, Optical mapping near-eye three-dimensional display with correct focus cues, Optics Letters (2017). DOI: 10.1364/OL.42.002475

【3】http://jov.arvojournals.org/article.aspx?articleid=2122611

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